[논문]건물 중앙냉방시스템의 에너지절감을 위한 최적운전 방안에 관한 실험적 연구

황진원; 안병천

doi:10.5762/kais.2013.14.9.4610

건물 중앙냉방시스템의 에너지절감을 위한 최적운전 방안에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Optimal Operation Strategies for Energy Saving in Building Central Cooling System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.9, 2013년, pp.4610 - 4615

황진원 (가천대학교 건축설비공학과 대학원) , 안병천 (가천대학교 건축설비공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 중앙냉방시스템용 모형실험장치를 구성하여 에너지 소비량 및 전력사용요금의 절감을 위한 최적제어방법을 구현하여 실험적 연구를 수행하였다. 최적제어방법으로는 새벽시간의 예냉을 이용한 전력디맨드 응답제어와 외기온도변화를 고려한 외기보상제어방법 등을 고려하였으며, 제어알고리즘은 LabVIEW 프로그램을 이용하여 작성하였으며, 제어 및 모니터링을 통해 최적제어방법과 기존제어방법과의 제어성능을 비교 고찰하였다. 연구결과로서 본 연구에서 제시한 최적제어방법이 기존제어방법에 비해 양호한 응답특성을 나타냈으며, 에너지소비량은 약 9.5%, 전력요금은 약 15.7%를 각각 절감한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, optimal operation strategies to save the electric energy and power price in the building central cooling system is researched by experiments. The optimal strategies of demand response control and outdoor temperature reset control algorithms are applied by consideration the electric energy and power price according to the energy consumption characteristics. The suggested optimal control method shows better responses in the power price and energy consumption in comparison with the conventional one and saves energy consumption by 9.5% and electronic price by 15.7%, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

각 제어방법을 적용함에 있어서 외기온도 변화특성이 약간의 차이는 있기 때문에 운전가동시간동안의 평균 외기온도 크기가 유사한 날을 선택하여 실험을 수행하고자 하였다. 각 경우에 대한 평균 외기온도는 Case 1의 경우는 24.
따라서 본 연구에서는 중앙냉방시스템에 대한 Hwang[6] 등의 연구를 실험적으로 검증하기 위하기 위하여, 중앙냉방시스템용 모형실험장치를 구축하고, 시스템 제어 및 데이터 모니터링을 위해 LabVIEW 프로그램[7]을 이용하여 프로그램을 작성한 후 실험을 통해 중앙냉방시스템의 제어특성 및 에너지 소비특성, 그리고 전력요금 절감특성 등을 고찰하였으며, 기존방법과 제안된 제어 방법에 대한 비교 고찰이 이루어졌다.
또한 본 연구에서는 최적운전방법의 전력에너지 사용량 및 사용요금을 등에 대한 기존방법과의 비교 분석을 위하여, 기존제어방식을 사용한 경우와 외기보상제어 만을 사용한 경우, 그리고 전력디맨드 응답제어와 외기보상 제어를 함께 사용한 최적제어의 경우 등 각각의 경우에 대한 실험이 이루어졌다.
본 연구에서는 중앙냉방시스템용 모형실험장치를 구성하여 에너지 소비량 및 전력사용요금의 절감을 위한 최적제어방법을 구현하여 실험적 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 중앙냉방시스템의 에너지 및 전력요금 절감을 위한 최적운전방법의 실험적 연구를 위해 중앙냉방시스템용 모형실험장치를 구성하였다.
본 연구의 최적제어방법은 건물의 축냉성능을 이용한 전력디맨드 응답제어와 외기온도변화특성을 고려한 외기 보상제어 등을 통해 에너지소비량 및 전력사용요금의 절감을 동시에 이룰 수 있도록 하기 위한 것으로써 콘크리트 구조물과 같이 열용량(Thermal capacitance)이 커서 축냉 성능을 상대적으로 크게 나타날 수 있는 건물에 적용할 경우 보다 양호한 제어성능을 얻을 수 있으리라 판단 된다.
외기보상제어의 목적은 외기온도의 변화에 맞게 실내온도의 설정치를 바꾸고 보건상 혹은 쾌감상의 개선을 꾀함과 동시에 외기온도의 변화에 의해 발생하는 실내온도의 옵셋을 제거하는데 있다.

제안 방법

그러나 이때 9시부터는 전력량 요금이 중간부하 요금이 부과됨에 따라 전력요금이 상대적으로 많이 들어가게 되며, 또한 이 전력요금은 11시를 기준으로 하여 조명을 소등하는 점심시간대까지 최대부하 요금이 부과된다. 따라서 본 연구에서의 전력디맨드 응답제어의 경우는 9시이전에 냉방운전을 하여 건물을 충분히 예냉시킨 후 중간부하 요금이 부과되는 9시에 가동을 멈추고, 건물의 축열성능이 떨어지는 시점에 다시 냉방시스템을 가동하여 운전을 계속적으로 지속하게 된다.
본 연구에서 적용된 최적제어방법은 전력디맨드 응답 제어에 의해 예냉운전을 실시한 후 건물의 축냉성능으로 인한 효과가 끝나는 시점부터 외기보상제어가 이루어지도록 한 것이며, 이를 통하여 실내온도조건을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 전력 에너지 및 전력요금 절감을 달성할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 제어 및 모니터링을 위한 실험장치 구성을 위하여 LabVIEW 프로그램을 이용하여 제어알고리즘을 작성하였으며, Fig. 5는 LabVIEW 프로그램을 활용하여 작성된 제어용 프로그램의 블록 다이아그램을 나타낸 그림이다.
시스템 구성요소들의 제어를 위한 제어변수로는 급기온도 및 냉수온도 등이 있으며 각각의 설정값들은 실제 사무용 건물에서 가장 많이 사용되는 값들을 활용하여 실내 급기온도 16℃, 냉수온도 8℃로 각각 설정하였다.
8℃로 측정되었기 때문이다. 외기보상제어의 설정온도는 외기에 따라 수식에 의해 실시간으로 변화되며, 예냉시 실내 공기 설정온도값은 최적운전의 에너지 및 전력요금절감 성능에 매우 중요한 제어변수이며, 본 연구에서는 예비실험을 통해 21℃로 선정하였으며, 이 값은 실내 및 외기온도조건, 그리고 건물 축열성능 등을 고려하여 선정해 주어야 하나 본 연구에서는 고정하여 사용하였다. 또한 본 연구에서는 실험연구 수행기간 중에는 외기온도가 높지 않아서 예냉운전을 위한 온도설정값을 낮게 잡게 되었다.
Table 2는 각 제어방법에 대한 운전조건을 나타낸 것이다. 표에서 볼 수 있듯이 기존제어방 법(Case 1)의 경우는 실내온도 설정값을 23.8℃로 하였으며, 외기보상제어 (Case 2)는 외기온도변화에 따라 Fig. 2에 의해 실내온도 설정값이 자동으로 설정되도록 하며, 최적제어방법(Case 2와 3)은 21℃ 1시간 예냉 + 외기보상제어, 21℃ 2시간 예냉 + 외기보상제어로 각각 운전하였다. 기존제어방식에서 실내온도 설정값을 23.

대상 데이터

732m²이며, 외벽은 북측이 전면 유리(단창)로 되어 있으며, 동서측은 샌드위치판넬(50T), 그리고 남측은 유리와 콘크리트 구조로 되어있다. 설비로는 급기 디퓨저 4개, 배기 디퓨저 4개, 공조기, 냉동기, 제어 및 모니터링용 PC로 구성되어 있다.
실험실은 학교내 연구실에 설치하였는데, 크기는 세로 6,300mm, 가로 7,700mm의 총면적 43.732m²이며, 외벽은 북측이 전면 유리(단창)로 되어 있으며, 동서측은 샌드위치판넬(50T), 그리고 남측은 유리와 콘크리트 구조로 되어있다.
3은 제어 및 모니터링용 실험장치 사진이다. 실험장치의 구성요소로서 AHU는 냉방능력 1,000kcal/h의 공기조화기이며, 급배기팬의 표준 풍량은 20CMM이고 최대정압은 15mmAq이다.

성능/효과

1. 최적제어(Case 3)를 적용한 경우 기존제어방법(Case 1)에 비해 에너지소비량은 약 9.5%, 전력요금은 약 15.7%를 각각 절감한 것으로 나타났다. 또한 외기보상 제어(Case 2)와 비교해 볼 때 에너지소비량에 있어서는 거의 차이가 없으나, 전력요금에 있어서는 약 3.
2. 최적제어를 적용함에 있어 전력디맨드 응답제어를 위한 예냉 운전시간의 선정은 에너지소비량 및 전력사용 요금에 크게 영향을 미치며, 불필요하게 예냉시간을 증가시킬 경우 오히려 에너지 소비량을 증가시켜 줌을 알 수 있었다.
3. 예냉운전을 위한 시간 및 온도조건 등은 실제 건물에 적용할 경우 외기온도 크기 및 건물의 축열성능 등을 고려하여 선정할 필요가 있으며, 축열성능이 큰 건물에 적용할 경우 에너지 소비량 및 전력요금의 절감에 보다 큰 효과를 얻을 수 있으리라 판단된다.
Case 3과 Case 4에서 적용된 전력디멘드 응답제어를 위한 예냉운전 시간을 1시간 혹은 2시간동안 각각 운전 하였음에도 축냉효과에 의한 냉방시스템의 운전정지 시간이 거의 차이가 없이 나타났고, 또한 냉방정지시간이 1시간 이내로 나타났는데 이것은 본 연구를 위한 실험장치용 실험실의 벽체 및 천정이 샌드위치 판넬구조로 되어 있어서 축냉효과가 매우 미미하게 나타난 것으로 판단된다. 따라서 콘크리트 및 철골구조물로 된 건물의 경우 보다 큰 축냉효과로 인해 전력디맨드 응답제어에 의한 제어성능이 더욱 크게 나타나리라 판단된다.
10은 각 제어방법에 따른 에너지 소비량과 전기요금을 나타낸 그림이다. 그림에서 볼 수 있듯이 최적제어인 Case 3의 경우는 기존제어방법(Case 1)에 비해 약 9.5%의 전력 에너지 소비량을 절감하였고 전력요금은 약 15.7%를 절감한 것으로 나타났다. 또한 외기보상제어 (Case 2)와 비교해 볼 때 에너지소비량에 있어서는 거의 차이가 없으나, 전력요금에 있어서는 약 3.
7%를 절감한 것으로 나타났다. 또한 외기보상제어 (Case 2)와 비교해 볼 때 에너지소비량에 있어서는 거의 차이가 없으나, 전력요금에 있어서는 약 3.9% 정도의 절감이 가능하였다.
7%를 절감한 것으로 나타났다. 또한 외기보상제어 (Case 2)와 비교해 볼 때 에너지소비량에 있어서는 거의 차이가 없으나, 전력요금에 있어서는 약 3.9% 정도의 절감이 가능하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물의 에너지 절약방법으로는 어떤 것들이 있는가?	건물의 에너지 절약방법으로는 건물의 형상, 방위, 개구율(창, 문), 단열 등을 고려한 건축계획적 접근방법과 설비의 기기 및 시스템 효율 개선, 제어방법 및 신재생에너지 이용 등의 설비적 접근방법이 있다. 특히 설비적 접근방법에서 단기간의 연구 개발로 에너지의 커다란 절감을 실현시킬 수 있는 방법은 시스템의 효율을 극대화할수 있도록 하는 건물 에너지 운영 관리 및 최적화된 제어 기술의 도입이라고 할 수 있다.
	전력 디맨드 응답제어란?	전력 디맨드 응답제어란 전력량 요금이 저렴한 경부하 시나 중간부하 시에 기기의 운전을 효율적으로 함으로써 건물의 축열효과를 이용하여 최대부하시의 운전을 부분부하운전으로 전환시켜줌으로써 전체적인 전력요금의 절감 및 에너지 절약을 가능하게 해주기 위한 제어방법[6]이다.
	중앙냉방시스템용 모형실험장치는 어떻게 구성되어 있는가?	실험실은 학교내 연구실에 설치하였는데, 크기는 세로 6,300mm, 가로 7,700mm의 총면적 43.732m²이며, 외벽은 북측이 전면 유리(단창)로 되어 있으며, 동서측은 샌드위치판넬(50T), 그리고 남측은 유리와 콘크리트 구조로 되어있다. 설비로는 급기 디퓨저 4개, 배기 디퓨저 4개, 공조기, 냉동기, 제어 및 모니터링용 PC로 구성되어 있다.

참고문헌 (7)

J. Hyvarinen and S. Karki, "Building Optimization and Fault Diagnosis Source Book" IEA ANNEX 25, pp. 12-20, 1996.
S. D. Kim, J. Lee, "Recommended Practice for a Reasonable Design Demand Factor and Analysis of Power Consumption Characteristics by Loads in Office Building", Journal of the Korean Institute and Electrical Installation Engineers, Vol. 19, No.3, pp. 111-118, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.5207/JIEIE.2005.19.3.111

원문보기 상세보기
S. S. Hong, J. Y. Song, B. C. Ahn, "Energy Saving Control Strategy For Central Heating System Using Outdoor Air Temperature Compensation", Proceedings of the SAREK 2010 Winter Annual Conference, pp. 505-510, 2010.
B. C. Ahn, J. Y. Song, Y. D. Joo, J. Kim, "Real Time Near Optimal Control Application Strategy of Central Cooling System", SAREK pp.470-477, 2008.
B. C. Ahn, J. W. Mitchell, "Optimal control development for chilled water plants using a quadratic representation", Energy and Buildings 33, No. 4, pp.371-378, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0378-7788(00)00119-5

상세보기
J. W. Hwang, J. Y. Song, B. C. Ahn, "Demand Control Application Strategies for Saving Electric Power price of Central Cooling System", Journal of Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 8, No. 4, PP. 1-7, 2012.
National Instruments, LabVIEW7 Express User Manual, 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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