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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 대학교 강의실에서 강의시간외에는 냉방 공급을 중지하도록 원격 제어하여 학생들이 없는 빈 강의실에서 불필요한 냉방으로 인한 전력 손실을 감소하고 과부하를 방지하여 전력 설비의 안전을 확보하는 것을 목적으로 한다.
- 그러나 대학교 건물 강의실의 경우 강의 종료 후에도 에어컨 스위치를 끄지 않는 경우가 생겨서 불필요한 전력이 낭비 되고 과부하로 인해 전력 안전이 위협받을 수 있는 실정이다. 이 연구에서는 강의시간외에는 냉방 공급을 중지할 때 강의실에서의 냉방 전력 소비를 비교 측정하였다. 측정을 위하여 제어를 실시하는 강의실과 제어를 하지 않는 강의실로 설정하여 전력량을 측정하여 강의실간의 냉방전력 소비량의 차이를 비교 분석한 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 이 연구에서는 EHP 시스템 에어컨을 개별제어로 운용중인 실제 대학교 5층 건물의 1층 강의실 중에서 바로 인접한 남향 강의실 2개소를 선정하고, 이들 강의실에 냉난방 공급을 중앙제어로 실시하는 강의실과 중앙 제어를 실시하지 않는 강의실로 설정하였다. 2개 강의실의 실외기에서 소비 전력을 동시에 측정하게 하여 2개 강의실간의 냉방 전력 사용량의 차이를 비교 분석하였다. 또한 강의실내 중앙 단면의 앞, 중간, 뒤 부분과 에어컨 토출구 등에 온도 센서를 10개소에 부착하여 Fluke Netdaq 2640(60 channel)을 이용하여 실내 거주자의 쾌적온도를 10초마다 측정 수집하였다.
- 시나리오1과 시나리오2에서 각 2가지 케이스씩 총 4가지 케이스를 비교 분석하였다. 각 케이스마다 2개 강의실에서 온도를 제어하는 제어 강의실 경우와 온도를 제어 하지 않는 비제어 강의실 경우를 측정하였다.
- 2개 강의실의 실외기에서 소비 전력을 동시에 측정하게 하여 2개 강의실간의 냉방 전력 사용량의 차이를 비교 분석하였다. 또한 강의실내 중앙 단면의 앞, 중간, 뒤 부분과 에어컨 토출구 등에 온도 센서를 10개소에 부착하여 Fluke Netdaq 2640(60 channel)을 이용하여 실내 거주자의 쾌적온도를 10초마다 측정 수집하였다.
- 시나리오1 케이스1은 제어 강의실이 2시간 냉방, 2시간 비냉방이고, 비제어 강의실은 4시간 연속 냉방의 경우를 측정하였다.
- 시나리오1은 강의실에서 강의 2시간, 공강 2시간인 경우이고, 시나리오2는 강의 1시간, 공강 1시간이 2번 반복되는 경우이다. 시나리오1과 시나리오2에서 각 2가지 케이스씩 총 4가지 케이스를 비교 분석하였다. 각 케이스마다 2개 강의실에서 온도를 제어하는 제어 강의실 경우와 온도를 제어 하지 않는 비제어 강의실 경우를 측정하였다.
- EHP 실내기는 강의실 천장의 2개소에 설치되어 있으므로 토출 온도는 2곳의 평균값을 사용하였다. 실내온도는 재실자가 앉았을 때 호흡기 높이 90cm와 섰을 때 호흡기 높이 150cm 각 2점씩 강의실 앞, 중간과 뒤의 실내 3개 위치에서 총 6점을 측정하여 이를 평균한 값을 이용하였다. 외기 온도는 2개 강의실 외부 기온의 평균값을 이용하였다.
- 실험기간은 혹서기인 7월부터 8월에 실시하였고, 이중에서 외기 온도가 크게 다르지 않은 경우의 결과를 선정하여 비교하였다. 실내온도를 정부의 여름철 냉방 권장온도인 26℃로 설정하였으며, 강의실 출입문을 실험 시작 전에는 개방하여 2개 실험실간의 열평형을 유사하게 하도록 한 후에 실험을 시작하였다.
- 실험기간은 혹서기인 7월부터 8월에 실시하였고, 이중에서 외기 온도가 크게 다르지 않은 경우의 결과를 선정하여 비교하였다. 실내온도를 정부의 여름철 냉방 권장온도인 26℃로 설정하였으며, 강의실 출입문을 실험 시작 전에는 개방하여 2개 실험실간의 열평형을 유사하게 하도록 한 후에 실험을 시작하였다.
- 여기서는 제어 강의실이 1시간 냉방과 1시간 비냉방이 두 번 반복되고, 비제어 강의실은 4시간 연속 냉방되는 경우를 비교하였다. 시나리오1과 마찬가지로 측정 초기에 토출구 온도가 실내 온도보다 약간 높은 것으로 시작했고, 냉방이 시작되면 급격히 떨어지는 토출온도로 실내 온도도 10분내지 20분이면 설정온도에 도달하는 것을 볼 수 있다.
- 이 연구에서는 강의시간외에는 냉방 공급을 중지할 때 강의실에서의 냉방 전력 소비를 비교 측정하였다. 측정을 위하여 제어를 실시하는 강의실과 제어를 하지 않는 강의실로 설정하여 전력량을 측정하여 강의실간의 냉방전력 소비량의 차이를 비교 분석한 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 EHP 시스템 에어컨을 개별제어로 운용중인 실제 대학교 5층 건물의 1층 강의실 중에서 바로 인접한 남향 강의실 2개소를 선정하고, 이들 강의실에 냉난방 공급을 중앙제어로 실시하는 강의실과 중앙 제어를 실시하지 않는 강의실로 설정하였다. 2개 강의실의 실외기에서 소비 전력을 동시에 측정하게 하여 2개 강의실간의 냉방 전력 사용량의 차이를 비교 분석하였다.
성능/효과
- 1) 측정 구간 4시간동안의 냉방전력량은 제어강의실 경우가 비제어강의실 경우에 비해서 약 40∼70%정도만 사용하고 있어서 30∼60%의 전력을 절감할 수 있음을 알 수 있었다.
- 2) 냉방 공급이 중지된 후에도 실내 온도는 완만히 상승하면서 10분 이상 설정온도 범위 내에 분포하는 것을 볼 수 있었다. 이를 이용하여 강의 종료 10분전부터 냉방을 중단해도 강의 종료까지는 실내를 적정온도 범위로 유지할 수 있으므로 중앙 제어에 적용하면 전력 소비를 절감할 수 있을 것으로 보인다.
- 3) 강의 시간표에 따라 냉방을 중앙 제어로 공급 조절하면 빈 강의실에서 불필요한 냉방으로 인한 소비전력을 감소할 수 있어서 친환경 그린 캠퍼스의 구현에 기여하는 효과를 기대 할 수 있다. 또한 에어컨 실외기의 과도한 운전 시간의 감소로 전기설비의 안전이 확보될 수 있으며 기기의 안전관리 비용의 절감도 가능할 것으로 보인다.
- 두 가지 시나리오 모두 냉방 공급이 중지된 후에도 실내 온도는 완만히 상승하면서 10분 이상 설정온도 범위 내에 분포하는 것을 볼 수 있었다. 제어시스템에서 냉방 공급시간 결정시 이를 이용하여 강의 종료 10분전부터 냉방 공급을 중단하면 강의 종료 시점까지 실내를 권장 온도 범위로 유지할 수 있으므로 중앙 제어시 적용하면 에너지를 절약할 수 있을 것으로 판단된다.
- 모든 경우에서 냉방이 시작되면 실내 온도가 급격히 떨어지면서 15∼20분정도 후에 설정온도에 도달하는 것을 볼 수 있었다.
- 6℃의 차이가 났다. 실내 평균온도와 토출구 평균온도 차이도 비제어 강의실은 4.7℃이고 제어 강의실은 2.2℃로 나타나 비제어 강의실이 설정온도보다 낮게 냉방되고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 6℃ 차이가 났다. 실내 평균온도와 토출구 평균온도 차이도 비제어 강의실은 4.7℃이고 제어 강의실의 2.2℃로 나타나 비제어 강의실이 설정온도보다 낮게 냉방되고 있는 것을 알 수 있었다.
- 실내온도 측정 위치는 실내 중앙 높이이고 토출구 측정 위치는 실내 최상부 높이라서 측정 초기에 오히려 토출구 온도가 실내 온도보다 높은 것으로 시작해서, 냉방이 시작되면 온도가 떨어지면서 10분내지 15분이면 설정온도에 도달하는 것을 볼 수 있었다.
- 실내온도를 26℃에 설정했지만 측정구간 4시간의 평균값이 제어강의실은 26.5℃이고 비제어 강의실은 24.8℃로 나타나 비제어 강의실이 설정온도보다 낮게 냉방되고 있음을 알 수 있었다.
- 측정 구간 4시간동안의 냉방 전력량은 비제어 강의실이 16.700kW, 제어 강의실이 7.874kW로 보고되어서 제어 강의실 경우가 비제어 강의실 경우의 47%정도 에너지만 사용하고 있음을 알 수 있었다.
- 측정 구간 4시간동안의 냉방 전력량은 비제어 강의실이 17.542kW, 제어 강의실이 6.763kW로 보고되어서 제어 강의실 경우가 비제어 강의실 경우에 비해서 전력을 약 40%정도만 사용하고 있음을 알 수 있었다. 이는 강의실이 공강이어서 재실자가 없을 때 냉방이 계속 공급되는 경우 전력 낭비가 매우 클 수 있음을 보여 주고 있다[Table 1, 2].
- 측정 구간 4시간동안의 냉방 전력량은 비제어 강의실이 17.976kW, 제어 강의실이 7.658kW로 보고되어서 제어 강의실 경우가 비제어 강의실 경우에 비해서 에너지를 약 43%정도만 사용하고 있음을 알 수 있었다.
- 측정 구간 4시간동안의 냉방 전력량은 비제어 강의실이 8.881kW, 제어 강의실이 6.488kW로 나타나서 제어 강의실 경우가 비제어 강의실 경우의 73%정도 에너지만 사용하고 있음을 알 수 있었다. 이는 케이스1에 비해서 전력 소비가 차이가 적게 나는 것으로 실험 당일 외기 온도가 0.
- 측정 구간 4시간동안의 냉방 전력량은 제어 강의실 경우가 비제어 강의실 경우에 비해서 에너지를 약 40∼73%정도만 사용하고 있어서, 냉방 에너지를 27∼60%까지도 절약할 수 있음을 알 수 있어서 공강 중인 빈 강의실에 냉방 공급이 중지되지 않으면 전력 낭비가 큰 것을 확인 할 수 있었다.
- 측정구간 4시간의 평균값이 실내온도를 26℃에 설정 했는데 제어강의실은 26.1℃이고 비제어 강의실은 25.0℃로 나타나 비제어 강의실이 설정온도에 비해 낮게 냉방되고 있음을 알 수 있었다. 토출구 평균온도도 비제어 강의실은 20.
후속연구
- 3) 강의 시간표에 따라 냉방을 중앙 제어로 공급 조절하면 빈 강의실에서 불필요한 냉방으로 인한 소비전력을 감소할 수 있어서 친환경 그린 캠퍼스의 구현에 기여하는 효과를 기대 할 수 있다. 또한 에어컨 실외기의 과도한 운전 시간의 감소로 전기설비의 안전이 확보될 수 있으며 기기의 안전관리 비용의 절감도 가능할 것으로 보인다.
- 이 연구는 냉방 제어를 통한 소비전력 절감의 기본 비교 분석으로서 난방시 비교 분석과 차후의 정밀 분석이 더 필요하며, 실내 온도를 쾌적 온도로 유지시키면서 소비전력도 절감되는 방안에 대해 더 많은 경우의 측정 비교분석이 필요하다. 향후 냉방 시간의 시스템 제어 기법 개발과 냉방 전력 절감 기술 개발에 대한 연구가 필요하다고 본다.
- [Figure 6, 9] 이 현상은 실내온도 조절기가 출입구 옆 벽체에 위치하고 있고, 실내 온도 측정 위치는 실내 중심선상에 위치한 토출기 위치 아래여서 평면상 거리 차이 때문으로 분석된다. 이 현상을 적용하여 제어시스템에서 실내 온도 설정시 냉방 권장 온도보다 조금 더 높게 설정해도 실내 대부분의 온도를 설정온도에 도달시킬 수 있는 것을 의미하며, 이를 중앙 제어시 응용하면 더 많은 전력 절감에 도움을 줄 수 있을 것이다.
- 이 연구는 냉방 제어를 통한 소비전력 절감의 기본 비교 분석으로서 난방시 비교 분석과 차후의 정밀 분석이 더 필요하며, 실내 온도를 쾌적 온도로 유지시키면서 소비전력도 절감되는 방안에 대해 더 많은 경우의 측정 비교분석이 필요하다. 향후 냉방 시간의 시스템 제어 기법 개발과 냉방 전력 절감 기술 개발에 대한 연구가 필요하다고 본다.
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