[논문]중앙난방시스템의 제어방법에 따른 난방성능 및 에너지소모량 특성 연구

송재엽; 양완연; 안병천

문제 정의

본 연구에서는 중앙난방시스템의 실온을 공조시스템의 인버터제어와 난방수 유량을 제어하는 밸브제어를 각각 피드백 제어와 피드퍼워드 제어를 동시에 수행하였을 경우에 대하여 난방성능을 살펴보고자 다음 Fig. 1과 같이 제어흐름도를 구성하였다.
본 연구에서는 앞서 언급한 중앙난방시스템의 제어 방법의 적용에 따른 난방성능을 살펴보고 이에 따른 에너지 소모특성을 비교 분석하고자 실제 대상 건물모델을 선정하였다.

제안 방법

이에 따라 본 연구에서는 실제 팬코일 유닛과 공조시스템으로 난방하는 시스템에 있어서 TRNSYS ver. 15 프로그램을 활용하여 시뮬레이션 모델링을 수행하고 중앙난방시스템의 실온을 공조시스템의 인버터제어와 난방수 유량을 제어하는 밸브제어를 각각 피드백 제어와 피드퍼워드 (feedforward) 제어团 ⑸를 동시에 수행하였을 경우에 대하여 여러 제어변수들을 변경시켜 수치해석을 수행함으로써 난방성능을 살펴보고 이에 따른 에너지 소모특성을 비교 분석하였다.
시뮬레이션 대상모델의 설비기기들은 H 빌딩의 설계데이터를 토대로 하여 시뮬레이션 프로그램을 작성하고 해석을 수행하였으며, 실내 부하 모델의 경우 건물의 전체 부하를 팬코일 유닛과 공조기를 통해 감당하도록 모델링 하였으며, 공조기팬의 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.
팬코일 유닛 또한 다수의 기기가 건물 곳곳에 설치되어 있으나 통합적으로 난방부하를 처리하도록 모델링을 수행하였다.
또한 본 연구를 위해 복합적으로 공조기 팬을변풍량 방식으로 하여 실내공기온도를 피드백 제어하고, 난방수의 유량을 온도조절밸브를 통하여 피드 퍼워드 제어하였을 경우에 대하여 시스템을 구성하였다.
본 연구에서는 중앙난방시스템의 피드 퍼 워드 및 피드백 제어에 관한 난방특성을 연구하고자 TRNSYS ver. 15 프로그램을 활용하여 실제 건물을 대상으로 모델링 한 시뮬레이션 프로그램을 다음 Fig. 2와 같이 작성하였다. 이 때 시뮬레이션 모델은 앞서 언급한 중앙난방시스템과 동일하게 적용하였다.
본 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 외기온도가 0°C일 때 먼저 유량에 관한 비 례계수와 시간 간격에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 이 때 나타난 온도변화와 에너지 소모특성을 살펴 최적의 비 례계수와 시 간간격을 구해내 었다. 비 례계수와시간간격에 따른 구분은 다음 Table 1 과 같다.
비 례계수와시간간격에 따른 구분은 다음 Table 1 과 같다. 또한 이를 통해 구해낸 비 례계수와 시간 간격으로 하여 외기온도 변화에 따른 특성을 고려하고자 -5°C 〜5°C사이의 외기온도 변화에 따른 온도변화와 에너지 소모특성에 대해 수치해석을 수행하였다. 외기온도의 경우 -3°C이하로 내려갔을 경우 시스템이 최대부하운전을 하게 됨에 따라 이와같이 선정하게 되었다.
다음과 같은 시뮬레이션의 수치해석을 통해 외기온도에 따른 보정계수 값을 구해내고 회귀분석을 통하여 각 상수를 구해내어 이를 적용하여 보정 전과 보정후에 대하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다.
또한 실제 외기온도 변화에 따라서 제어가 원활히 이루어지는지 살펴보았다 시뮬레이션에 적용된 외기온도 데이터의 경우 실제 기상청 데이터를 1시간 간격으로 하여 입력데이터로 주었으며, 실내공기온도의 설정온도는 실내 쾌적범위인 18~26°C 내에서 제어특성을 원활히 살펴보고자 22°C로 선정하였으며, 시뮬레이션 해석시간 간격은 1분으로 하였다.
본연구에서는 예비 시뮬레이션을 통해 더 많은 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 이 경우보다 더 적은 에너지 소모가 이루어지는 조합이 상당수 찾을 수 있었으나 실내공기온도의 온도 차가 더욱 크게 벌어지는 문제점을 안고 있어 다음과 같은 조합을 최적의 비례계수와 시간간격으로 선정하였다.
이에 따라 외기온도 변화에 따른 비례 계수의 보정이 필요하다고 판단되어 외기온도에 따라 실내공기 평균온도가 일정하게 유지되는 비례계수를 수치해석을 통해 구해내고 회귀분석을 통하여 외기온도에 따른 비례계수 관계를 함수로 구해내어 적용하였다.
본 연구에서는 중앙난방시스템의 실온을 공조시스템의 인버터제어와 난방수 유량을 제어하는 밸브제어를 각각 피드백 제어와 피드퍼워드 제어를 동시에 수행하였을 경우에 대하여 난방성능을 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

또한 제어시간간격이 길어짐에 따라 실내공기 온도의 최고온도와 최저온도차가 커지는 특성을 나타내었으며, 이로써 미루어볼 때 시간간격이 길어질 경우 온도차가 커짐에 따라 실내의 쾌적함을 해칠 우려가 있음을 알 수 있다.
에너지 소모량의 차이에 있어서는 전체적으로 볼 때 시간간격이 짧아질 경우 에너지 소모가 크게 나타나는 경향을 나타내었으나, 온도변화 특성에 비해 대체적으로 불규칙적인 특성이 나타났으며, 비례계수가 1, 시간간격이 10분일 경우에 에너지 소모가 최소가 되는 경우가 발생하였다. 본연구에서는 예비 시뮬레이션을 통해 더 많은 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 이 경우보다 더 적은 에너지 소모가 이루어지는 조합이 상당수 찾을 수 있었으나 실내공기온도의 온도 차가 더욱 크게 벌어지는 문제점을 안고 있어 다음과 같은 조합을 최적의 비례계수와 시간간격으로 선정하였다.
이 때의 에너지소모특성과 실내평균온도를 살펴본 결과 에너지의 경우 0.03%정도의 근소한 차이를 보였으나 평균온도의 경우 보정을 하였을 경우가 약 0.2°C높게 나타났다.
(1) 팬코일유닛과 공조기로 구성된 중앙난방시스템에 대해 공조기의 피드백 제어 및 난방 수유량의 피드 퍼워드 제어를 동시에 수행한 결과 실내공기온도를 거의 일정하게 유지하는 양호한 난방성능을 나타내었으며, 적절한 비례계수와 보정계수값의 선정을 통하여 양호한 난방성능과 함께 에너지 절감에 효과적일 것으로 사료된다.
(2) 난방수 유량선정에서 설정온도와 실내 공기 온도 차를 구하여 비례제어를 수행할 경우 비례계수의 선정과 제어시간간격 선정이 무엇보다 중요하며, 두 변수의 조합으로 인하여 에너지 소모가 줄어드는 경우가 발생하였고, 본 연구에서 수행한 시뮬레이션 대상 모델의 경우 실내최고최저 온도차와 에너지 소모 특성을 고려하였을 때 비 례계수 1, 제어시간간격 10분이 가장 적절한 선정 값으로 나타났으며, 추후 표준모델을 선정하여 비례계수와 보정계수 값의 선정에 따른 경제성 분석을 통해 평가할 경우 건물 에너지 절감 방안에 있어서 큰 효과를 나타낼 것으로 사료된다.
(3) 난방수 유량을 비례계수에 의하여 제어할 경우 외기온도에 민감하여 외기온도가 - 5°C〜5°C로 변화하였을 때 실내 공기 평균온도가 비례적으로 증가하는 특성을 나타내었으며, 외기온도 변화에 따른 실내 공기 온도 유지를 위해 보정계수를 회귀분석을 통하여 구해내어 이를 적용한 결과 피드 퍼워드 및 피드백 동시제어에 있어 제어신호값의 진동이 큰 폭으로 줄어드는 등 실내 공기 온도 유지의 안정적인 제어성능을 나타내었다.

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