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문제 정의
- (5)은 디지털 스크롤 압축기를 적용한 시스템 에어컨의 냉난방특성에 대한 실험적 연구에서 용량 가변형 방식의 디지털 스크롤 압축기를 적용한 시스템 에어컨의 능력 및 C.O.P. 특성을 조사하고자 용량가변에 따른 냉난방 표준실험과 난방 저온 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 시스템 에어컨 내부에 실내기의 운전대수에 따라 압축기의 용량제어가 가능한 디지털 스크롤 압축기를 사용한 시스템 에어컨을 대상으로 시뮬레이션 하였다. 이 시스템은 내부 밸브의 ON/OFF 제어에 의해 냉매의 토출량을 가변 제어하는 방식이며, 이를 통해 압축기의 용량을 변화시킨다.
제안 방법
- (2)은 “멀티 시스템 에어컨의 기술동향 및 DVM 시스템 소개”에서 일본의 인버터 방식의 멀티 시스템에어컨과 디지털 스크롤 압축기를 채용한 용량 가변형 냉난방기의 시스템 효율을 비교하고자, KS C 9306(3)에 기준한 실험조건하에서 실내기 운전대수를 변경하며 시스템의 성능(부하제거 특성, C.O.P 등) 및 소비전력 등을 측정하였다.
- Noh et al.(4)은 시스템에어컨과 환기시스템이 설치된 대학 강의실에서 냉방 시 열쾌적성 및 실내공기질에 관한 연구를 진행하였는데, 이 연구에서는 실측 결과에 기초한 수치해석을 통해 시스템에어컨 및 환기장치의 풍량을 변화시키면서 재실자의 열쾌적성 및 공기질을 평가하였다.
- (6)은 변속 압축기 팬 컨트롤 기능을 가진 원심형 냉동기의 부분부하 운전 특성을 조사하였는데, 이 논문에서는 실제 기체의 상태 방정식을 사용하여 냉매의 열역학적 상태량을 구하고, 온도와 압력 변화를 구하는 열역학적 모델을 통해서 냉동기의 부분부하 양상을 조사했다. 또한 Zhang et al.
- 또한 Zhang et al.(7)은 디지털 스크롤 압축기를 적용한 시스템 에어컨의 단위 시간당 소비전력, C.O.P.를 실험적으로 분석했다. 그리고 각각 다른 외기 온도 하에 부분부하값에 대한 시간당 C.
- Type 42c(flow) 컴포넌트는 Type 33e에 의해 공조대상 실의 건구온도를 전달(④)받게 되고, 설정온도(set-point temperature) 26.0℃를 기준으로 dead band(±0.5℃) 온도영역 사이에 0과 1사이의 비율 값을 주어 실내기의 풍량(air-flow)의 세기가 조절 가능하도록 설계하였다.
- 를 실험적으로 분석했다. 그리고 각각 다른 외기 온도 하에 부분부하값에 대한 시간당 C.O.P.와 총 소비전력의 변화를 확인했다. 이 결과들은 시스템이 부분부하 조건에서 경제적이고 신뢰성 있는 운전상태를 유지할 수 있다는 것을 보여주었다.
- 따라서 본 연구에서는 Table 1에 제시된 다양한 시뮬레이션 tool 중에서 module 구성을 통해 새로운 시스템의 특징 구현이 가능한 TRNSYS(16.03 ver)(11) 시뮬레이션 툴을 기본으로 하여 멀티시스템 에어컨의 특성을 모사할 수 있는 시뮬레이션 모듈 구성 방법론을 작성하였다. 멀티시스템 에어컨 특성의 구현은 TESS component model을 사용하여 구현하였다.
- 본 논문에서는 TRNSYS 프로그램을 활용하여 시스템 에어컨을 모델링하였으며, 시뮬레이션에서 모사하였던 시스템 에어컨이 실제 설치된 건물을 대상으로 측정된 데이터와 시뮬레이션 예측치를 비교ㆍ분석함으로써 작성된 시뮬레이션 모듈에 대한 타당성 검토 및 신뢰도를 검증하였다. 본 연구를 통해 산출된 결과는 아래와 같다.
- 본 장에서는 시스템 에어컨(실내기, 실외기, 제어논리)을 구현하기 위해 TRNSYS 상에 사용된 컴포넌트(component) 구성과 역할에 대한 설명(Table 3)과 각 컴포넌트의 상호 연계를 통해 구성된 시뮬레이션 모듈을 소개하고자 한다. 시스템 에어컨은 Table 2에 제시된 실험 대상 건물에 적용된 제품을 대상으로 시스템의 시뮬레이션 모델링을 실시하였다.
- TRNSYS를 통한 시스템 에어컨 모듈 작성의 타당성을 검증하기 위해서 시뮬레이션 예측치는 실측치와 비교되었다. 비교항목으로는 ① 실내온열환경 (온도, 습도) 변화, ② 실내기, 실외기에 대한 소비 전력 등을 비교하였다.
- 실내기는 시스템 설계에서 용량이 결정이 되며, 시뮬레이션 상에서는 해당하는 제품에 대한 냉난방 능력표 내용을 추출하여 텍스트 파일로 작성해 입력하는 방식을 이용한다.
- 실내기는(바닥으로부터 2.8 m 높이 설치) 존별/개별 제어를 위해 각각 페리미터와 인테리어존에 설치되어 각 영역에 대한 부분부하를 담당하였고, 실내기의 제어는 실측 당시, 설정온도 제어(set-point, 26.0℃)를 실시하였으며, 시스템 가동시간 동안에는 온도설정 변경을 허락하지 않았다.
- 실측 시에 공조 시스템을 제어하는 제어부는 전력량을 측정하는 전원부와 공조부 및 그 외 기기로 이루어져 있었으며, 공조부의 작동 스케줄 및 전력량(실내기, 실외기, ERV)은 1분 단위로 측정되었으며, 매(每) 하루 단위로 기록되었다.
- 5는 시뮬레이션으로 산출된 실내 온·습도와 실측값을 나타낸 그래프이다. 실측값은 실 중앙 1.1 m 높이에 설치된 온습도 센서로부터 측정되었으며, 1분 단위로 저장된 데이터를 바탕으로 분석하였다.
- 실측은 대상공간에 대한 온도, 습도, 기류분포 그리고 실내기의 토출 및 흡입온도, 토출풍속 등을 연속적으로 측정하였으며, 아울러 냉방에 따른 실내기, 실외기 소비전력을 실시간으로 산출하였다.
- 앞서 제시한 시스템 에어컨모듈에 대한 검증은 실제 시스템이 설치된 공간을 대상으로 냉방기에 운용된 데이터와 실측 데이터(12)(2010. 3, Aug.)의 비교를 통해 이루어졌다. 대상 건물은 수원에 있는 성균관대학교 내 연구용 건물로써 대상공간은 실제 대학원생이 생활하는 연구실(지상 2층)을 대상으로 모델링하였다.
- 1 참고)의 성능조건들과 신호제어 조건을 입력하여 실내기 냉방능력(Cooling Capacity, TC), 소비전력, 풍량값을 산출한다. 이 때 부분부하의 특성을 구현하기 위한 모듈로서, 실내온도의 변화에 따라서 실내기의 냉방능력 값이 다르게 나오도록 가중치계수를 두는 부분부하 조절 모듈(Part Load Controller, PLC)을 type42의 equipment 모듈을 통해서 구현하였다.
대상 데이터
- 건물 구조체(벽체, 유리 등) 물성값 및 실내 조건(인체, 기기, 조명 발열량, 스케줄)은 실측 당시 조건을 적용하였으며 Table 4과 같다.
- )의 비교를 통해 이루어졌다. 대상 건물은 수원에 있는 성균관대학교 내 연구용 건물로써 대상공간은 실제 대학원생이 생활하는 연구실(지상 2층)을 대상으로 모델링하였다.
- 대상 공간 크기는 8.7 m(width)×6.0 m(depth)×4.1 m(height)이며, 남측으로 9.8 m2 면적의 창호(24 mm pair glass, 2.69 W/m2k)가 있다.
- Type 33는 습공기선도(Psychrometrics) 상에서 입력 정보와 출력 정보에 따라 총 6가지(type 33atype33f)로 나뉘며, 실내 건구온도와 상대습도, 이슬점, 습구온도, 엔탈피, 절대습도의 6가지 중 2가지 요소를 통해 나머지 4가지 정보를 얻고, 습공기의 상태를 파악하여 에너지량 계산에 활용할 수 있는 컴포넌트이다. 본 시스템 에어컨(실내기, 실외기) 설계시 type 33e와 type 33f를 사용하였다.
- 시뮬레이션 시 대상공간의 조닝(zoning)은 Fig. 3과 같이 총 4개의 존으로 구성하였다. Fig.
- 시뮬레이션은 실측 데이터가 확보되어 있는 2010년 8월 3일(10：00～18：00)을 대상으로 실시하였고, 시뮬레이션 time-step은 1분 간격으로 수행하였다. TRNSYS를 통한 시스템 에어컨 모듈 작성의 타당성을 검증하기 위해서 시뮬레이션 예측치는 실측치와 비교되었다.
- 본 장에서는 시스템 에어컨(실내기, 실외기, 제어논리)을 구현하기 위해 TRNSYS 상에 사용된 컴포넌트(component) 구성과 역할에 대한 설명(Table 3)과 각 컴포넌트의 상호 연계를 통해 구성된 시뮬레이션 모듈을 소개하고자 한다. 시스템 에어컨은 Table 2에 제시된 실험 대상 건물에 적용된 제품을 대상으로 시스템의 시뮬레이션 모델링을 실시하였다.
데이터처리
- 멀티시스템 에어컨 특성의 구현은 TESS component model을 사용하여 구현하였다. TRNSYS+TESS 프로그램을 사용하여 시스템 에어컨의 에너지 성능을 모사하기 위해 요구되는 시스템 컴포넌트/제어모듈 등을 작성하고, 실험실 조건에 실측한 결과와 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 본 연구에서 작성한 시스템 에어컨 모듈의 타당성을 검증하였다. 최종적으로 본 연구에서는 개발된 시뮬레이션 방법론을 통해 시스템 에어컨의 실내 환경조절 특성, 에너지 소비 특성 등의 분석이 가능하다.
- 시뮬레이션은 실측 데이터가 확보되어 있는 2010년 8월 3일(10：00～18：00)을 대상으로 실시하였고, 시뮬레이션 time-step은 1분 간격으로 수행하였다. TRNSYS를 통한 시스템 에어컨 모듈 작성의 타당성을 검증하기 위해서 시뮬레이션 예측치는 실측치와 비교되었다. 비교항목으로는 ① 실내온열환경 (온도, 습도) 변화, ② 실내기, 실외기에 대한 소비 전력 등을 비교하였다.
이론/모형
- 또한, 대상공간의 침기량(infiltration rate)은 CO2가스를 이용한 일정농도 감쇠법을 이용하여 측정한 결과인 1.068회/hr를 적용하였다.
- 03 ver)(11) 시뮬레이션 툴을 기본으로 하여 멀티시스템 에어컨의 특성을 모사할 수 있는 시뮬레이션 모듈 구성 방법론을 작성하였다. 멀티시스템 에어컨 특성의 구현은 TESS component model을 사용하여 구현하였다. TRNSYS+TESS 프로그램을 사용하여 시스템 에어컨의 에너지 성능을 모사하기 위해 요구되는 시스템 컴포넌트/제어모듈 등을 작성하고, 실험실 조건에 실측한 결과와 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 본 연구에서 작성한 시스템 에어컨 모듈의 타당성을 검증하였다.
성능/효과
- (1) 실내 온·습도를 분석한 결과, 실내 온도는 실측치와 시뮬레이션 예측치와 거의 동일한 결과를 나타냈다.
- (1) 자유조합형 시스템 에어컨은 건축 초기에 실내기의 용량과 제품 형태를 건물 특성에 맞게 선정 가능하며, 실내기를 자유자재로 연결할 수 있다.
- (2) 각 공조 존의 상황에 따라 실내기의 개별운전이 가능하고, 부하 변동에 따른 압축기 주파수 및 냉매 유량 가변형(variable)으로 부분부하(part-load) 운전 대응이 가능하다.
- (2) 에너지 소비 특성을 분석한 결과 시뮬레이션 예측치와 실측값은 실내기, ERV의 값은 동일하며, 실외기에서만 약 4%의 차이가 발생하여, 전반적으로 매우 일치하는 결과를 보였다.
- (3) 결과적으로 본 연구에서 제시한 TRNSYS 기반의 시스템 에어컨 특성을 모사하는 시뮬레이션 모듈 및 방법론은 매우 신뢰할 수 있는 것으로 나타났다.
- 결과적으로 실내 온·습도, 에너지 소비 특성을 대상으로 실측값과 시뮬레이션 값을 비교해본 결과 시뮬레이션 모델링 결과가 매우 타당하다는 결론을 도출할 수 있었다.
- 3℃이었다. 수평면 전일사량은 최대 625 W/m2, 평균 75.82 W/m2였으며, 습도는 최대 95.8%, 평균 60.1%이었다. 측정된 외부 기상 데이터(온도, 습도, 일사량)는 Type 9c 컴포넌트에 1분 단위 텍스트 파일로 작성하여 입력하였다.
- (1) 실내 온·습도를 분석한 결과, 실내 온도는 실측치와 시뮬레이션 예측치와 거의 동일한 결과를 나타냈다. 습도는 다소 차이가 발생하고 있으나 그 변화추이는 시뮬레이션 결과와 실측치가 매우 일치하고 있는 것으로 나타났다.
- 와 총 소비전력의 변화를 확인했다. 이 결과들은 시스템이 부분부하 조건에서 경제적이고 신뢰성 있는 운전상태를 유지할 수 있다는 것을 보여주었다.
- TRNSYS+TESS 프로그램을 사용하여 시스템 에어컨의 에너지 성능을 모사하기 위해 요구되는 시스템 컴포넌트/제어모듈 등을 작성하고, 실험실 조건에 실측한 결과와 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 본 연구에서 작성한 시스템 에어컨 모듈의 타당성을 검증하였다. 최종적으로 본 연구에서는 개발된 시뮬레이션 방법론을 통해 시스템 에어컨의 실내 환경조절 특성, 에너지 소비 특성 등의 분석이 가능하다.
후속연구
- (b)의 실내습도 그래프에서는, 상대습도는 실측치와 시뮬레이션 결과에서 최대 13% 차이가 나지만 구간 대부분에서 10% 미만의 차이가 나고 곡선의 패턴이 유사하게 나왔다. 습도에 대한 차이는 실측에 사용한 습도센서의 한계에 기인하는 것으로 판단되며 향후 이에 대한 추가적인 검토가 필요할 것을 판단된다.
- 추후에는 시스템 에어컨에 적용된 다양한 알고리즘의 특성을 시뮬레이션 모듈에 반영하여 본 연구를 통해 개발한 시뮬레이션 방법론의 사용성을 높이는 연구를 진행할 예정이다.
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