[논문]중앙냉방시스템의 외기온도조건을 고려한 나이트 퍼지 제어방안에 관한 연구

황진원; 안병천

doi:10.5762/kais.2015.16.10.6759

중앙냉방시스템의 외기온도조건을 고려한 나이트 퍼지 제어방안에 관한 연구
Night Purge Control Strategies With Outdoor Air Temperature Conditions for Central Cooling System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.10, 2015년, pp.6759 - 6765

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

초록
AI-Helper

본 연구에서는 자연외기를 활용하여 건물의 중앙냉방시스템에 대한 에너지를 절약하기 위한 제어방법으로서 외기온도 조건을 고려한 나이트 퍼지제어의 적용방안에 대해 시뮬레이션 연구가 수행되었다. 외기온도의 변화특성 및 건물의 축냉성능 등이 고려되었으며, 나이트 퍼지제어를 위한 운전시작시간과 제어설정온도의 선정방안이 연구되었다. 본 연구를 위하여 TRNSYS 프로그램을 활용하여 시스템 해석 모델링을 수행하였으며, 기존 제어방식 대비 제안된 제어방법의 에너지 절약성능을 비교 분석하였다. 연구결과로 외기온도 변화에 따라 나이트 퍼지제어를 위한 운전조건을 선정한 제안된 제어방법이 기존의 나이트 퍼지제어 제어방식과 비교하였을 때는 최대 16.8%, 나이트 퍼지제어를 적용하지 않은 경우에 비해서는 최대 28.6%의 에너지 절감이 가능함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of control strategies of night-purge control system on control characteristics and energy consumption for central cooling system in building are researched by simulation. The start time and set-point temperature for night-purge control with outdoor temperature changes and building cold storage performance are obtained. The system analysis modelling is done by using TRNSYS program package, and the control performances with suggested night-purge control method are compared with the existing control ones. As a result, the suggested night-purge control method shows maximum 16.8% and 28.6% energy saving in comparison with existing control method and conventional one without night-purge control, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

4와 5를 통해 나이트 퍼지제어 운전시작 시간과 설정온도의 크기는 나이트 퍼지제어의 에너지 성능에 영향을 미치며, 상호간의 영향을 고려한 적절한 선정방법이 필요함을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기상청에서 익일 기상데이터로서 최저온도 및 최고온도의 크기 및 시각을 예보해 줌에 따라 외기의 최저온도(Outdoor air lowest temperature: LT)미리 알고 있을 경우 이를 나이트 퍼지제어 시스템의 입력으로 제공하면 운전시작시간과 제어설정온도가 자동으로 결정되도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 나이트 퍼지제어를 적용함에 있어 외기온도의 특성 및 건물의 축냉성능 등을 고려하여 중요 운전변수로서 운전 시작시간 및 제어 설정온도 등이 제어성능에 미치는 영향을 살펴보고 이를 통해 운전변수의 선정방안을 제시하고자 하며, TRNSYS 프로그램을 이용하여 시스템을 모델링하고 제안된 제어방법과 기존의 제어방법들의 제어특성 및 에너지소모량 특성을 비교 고찰하였다.
본 연구에서는 나이트 퍼지제어를 위한 운전시작시간과 제어를 위한 온도 설정 값인 외기도입 설정온도 등에 대한 선정방안을 연구하였다.
본 연구에서는 나이트 퍼지제어를 위한 운전시작시간과 제어를 위한 온도설정 값인 외기도입 설정온도 등에 대하여 제안된 선정방안에 대해 3장에서 설명한 바와 같이 이를 이용하여 기존의 제어방법 및 본 연구에서 제안된 제어방법의 에너지 소모량 특성에 대해 비교 연구하였는데 그 결과는 다음과 같다.
다수의 공조기와 팬코일 유닛을 통해 냉난방이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 해석 모델을 실제 건물을 대상으로 하여 건물 규모 및 설비기기들의 용량을 고려하여 시뮬레이션 모델링이 수행 되었다. 이럴 경우 각 층의 부하특성 등이 다르게 나타나므로 전체적인 온도변화 특성과 에너지 소모 특성을 분석하는데 문제점이 따르게 되므로 대상 모델을 시뮬레이션하는 데 있어서 5개층을 1개의 대상건물로 통합하고 다수의 설비기기들의 전체적인 냉방 용량으로 구성하여 Fig.

제안 방법

먼저 나이트 퍼지제어 없이 기계냉방만을 가동하였을 경우와 기존의 나이트 퍼지제어 방법을 적용한 경우, 그리고 제안된 나이트 퍼지제어방법을 적용한 경우들에 대해 에너지 소비량을 비교 분석하기 위하여 동일한 조건인 날로 시뮬레이션을 수행하였으며, 5∼10월 중 냉방이 필요한 조건을 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각 Case별로 24시간 동안의 에너지 소비량을 분석하였다. 여기서 기존의 나이트 퍼지제어방법인 Case 2와 3에서는 외기온도조건만 제시(Table 1 참조)되어 있고 운전시작시간은 별도로 제시되어 있지 않고 운전자의 경험에 의존하기 때문에 본 연구에서는 운전시작시간에 따라 에너지 소비특성이 다르기 때문에 6시를 시작시간으로 한데이터를 비교대상으로 고려하였다.
또한 본 연구에서는 하루 중 외기온도가 가장 낮은 새벽시간대(오전 5시에서 7시까지의 시간대)의 외기온도의 크기에 따라 외기도입을 위한 나이트 퍼지제어 운전 시작시간을 결정하고, 이 시작시간을 활용하여 외기도입을 위한 설정온도를 순차적으로 결정하는 방법을 제안하였다. 이것은 기상청에서 익일 기상데이터로서 최저온도및 최고온도의 크기 및 시각을 예보해 줌에 따라 외기의 최저온도(Outdoor air lowest temperature)를 미리 알고 있을 경우 이를 제안된 나이트 퍼지제어 시스템의 입력 으로 활용하여 운전시작시간과 제어설정온도가 순차적 으로 결정되도록 한 것이다.
먼저 나이트 퍼지제어 없이 기계냉방만을 가동하였을 경우와 기존의 나이트 퍼지제어 방법을 적용한 경우, 그리고 제안된 나이트 퍼지제어방법을 적용한 경우들에 대해 에너지 소비량을 비교 분석하기 위하여 동일한 조건인 날로 시뮬레이션을 수행하였으며, 5∼10월 중 냉방이 필요한 조건을 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구는 자연외기를 활용하여 건물의 에너지절약을 위한 나이트 퍼지제어를 적용함에 있어 중요 운전변수로서 운전 시작시간 및 제어 설정온도 등이 제어성능에 미치는 영향을 살펴보고 이를 통해 운전변수의 선정방안을 연구한 것으로서TRNSYS 프로그램을 이용하여 시스템을 모델링하고 제안된 제어방법과 기존의 제어방법들의 제어특성 및 에너지소모량 특성을 비교 고찰하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 제어방법으로 나이트 퍼지제어를 적용하지 않고 기계냉방만을 수행한 방법(Case1)과 기존 나이트 퍼지제어 방법 2가지(Case2 와 Case3), 그리고 본 연구에서 제안한 나이트 퍼지제어(Suggested)방법 등을 비교 분석하였다. 여기에서 에너지 절감성능 및 실내 공기질을 고려하여 외기도입에 관한 댐퍼 개도는 나이트 퍼지제어 시에는 100% (제어신호 값: 1.
본 연구에서는 중앙냉방시스템에 관하여 나이트 퍼지 제어 시스템의 에너지 절감성능을 확인하기 위하여 에너지 해석용 TRNSYS 프로그램을 사용하였으며, 기존제어방식 및 제안된 제어방식 등에 대해 시뮬레이션을 통한 에너지 절약 제어성능을 비교 연구하였다.
나이트 퍼지제어가 이루어지고 있는 시간 동안 에는 실내공기온도의 변화특성이 다르게 나타나고 있으며 기계적인 냉방이 이루어지는 9시 이후는 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. 여기서 가동시작시간의 영향을 살펴보기 위해 외기온도의 크기에 무관하게 시작시 간에 나이트퍼지제어가 시작되는 것으로 하였다.
1℃ 이내의 온도는 같은 온도로 판단함)들을 선별하여 설정온도를 1 5℃-24℃로 하고 가동 시작시간을 4시-7시로 각각 변화시켜 주면서 에너지 소비량을 비교하였다. 여기서 설정 온도는 1℃ 간격으로 하여 값을 고정하고 시작시간을 변화시켜 가면서 에너지 소비량을 분석하였다.
2는 중앙냉방시스템의 에너지 해석을 위한 TRNSYS 프로그램으로써 각 설비기기 모델과 나이트 퍼지제어를 적용하여 프로그램을 구성하였다. 여기서 제어기는 Fortran 프로그램에서 코딩을 통해 나이트 퍼지 제어 시스템을 구성하여 TRNSYS 프로그램에서 나이트 퍼지제어기의 실행파일로 링크시켜 에너지 해석이 가능하도록 하였다.
이에 따라 외기도입 시작시간 즉 나이트 퍼지제어 운전시작시간에 따른 영향을 살펴보기 위해 Fig 6의 5월∼ 9월의 기후조건에서 하루 중 새벽시간대에서 외기온도가 가장 낮은 최저온도 값이 같은 날(±0.1℃ 이내의 온도는 같은 온도로 판단함)들을 선별하여 설정온도를 1 5℃-24℃로 하고 가동 시작시간을 4시-7시로 각각 변화시켜 주면서 에너지 소비량을 비교하였다.

대상 데이터

또한, 시뮬레이션을 위한 냉수온도, 급기온도 및 실내 설정온도는 Table 3과 같이 선정하였으며, 또한 2013년 5월부터 9월까지의 외기데이터를 사용하였다.
각 Case별로 24시간 동안의 에너지 소비량을 분석하였다. 여기서 기존의 나이트 퍼지제어방법인 Case 2와 3에서는 외기온도조건만 제시(Table 1 참조)되어 있고 운전시작시간은 별도로 제시되어 있지 않고 운전자의 경험에 의존하기 때문에 본 연구에서는 운전시작시간에 따라 에너지 소비특성이 다르기 때문에 6시를 시작시간으로 한데이터를 비교대상으로 고려하였다. 이것은 본 연구에서 제안된 방법과의 비교를 위해서 시작시간의 변화에 따른총 에너지소비량에 대한 결과(Fig.
이를 위한 시뮬레이션 모델 대상건물은 경기도 용인 시에 소재한 H사 연구소로 공조면적이 약 3,008m 2 이며, 5개 층으로 구성되어 있다. 다수의 공조기와 팬코일 유닛을 통해 냉난방이 이루어지고 있다.

성능/효과

1. 외기온도 특성으로서 하루 중 외기의 온도가 가장 낮은 온도인 최저온도 값이 나이트 퍼지제어의 운전변수로서 운전시작시간의 선정에 영향을 미치고 있으며 에너지 소비량의 절감을 위해서는 최저온도 값이 상대적으로 높을수록 운전시작시간을 빨리해주는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
2. 외기도입을 위한 설정온도의 크기는 에너지 소비 량에 많은 영향을 미치고 있으며, 외기의 최저온도 값을 고려하여 선정된 나이트 퍼지제어 운전시작 시간을 이용하여 순차적으로 설정온도의 크기를 결정하여 줌으로써 에너지절감 성능을 개선할 수 있었으며 운전시작시간이 늦어질수록 제어 설정온도는 낮게 설정되어야 함을 알 수 있었다.
3. 나이트 퍼지제어의 경우 축냉효과를 이용하여 냉방부하를 줄여주는 효과는 있으나 나이트 퍼지제어 시의 급배기 팬의 전력소모량 및 기계냉방시의 전체 에너지 소비특성 등을 고려하여 적절한 운전 조건의 선정이 요구됨을 알 수 있었으며, 다양한 외기 온도조건의 경우에 대해 시뮬레이션 한 결과 외기온도 조건에 따라 각 경우에 대한 에너지 절감 효과의 크기에는 차이가 있으나 제안된 제어방법이 가장 에너지 절감 성능이 양호하며, Case3, Case2, 그리고 Case1등의 순으로 나타났다.
Fig. 9는 하루 중 외기의 최저온도는 17.0℃이고 최고 온도는 29.5℃인 경우이며, 제안된 나이트 퍼지제어방법에 비해 나이트 퍼지제어 없이 기계냉방만을 가동하였을 경우인 Case1은 약 16.3%, 기존의 제어방법인 Case2와 Case3는 각각 약 2.8%와 약 2.1%의 에너지 소비가 더발생함을 알 수 있다.
6℃인 경우이며, 각 Case별로 에너지 사용 량을 나타낸 그래프이다. 제안된 나이트 퍼지제어방법에 비해 나이트 퍼지제어 없이 기계냉방만을 가동하였을 경우인 Case1은 약 28.6%, 기존의 제어방법인 Case2와 Case3는 각각 약 16.8%와 약 2.5%의 에너지 소비가 더 발생함을 알 수 있었다.
4 참조). 팬동력의 소비량을 고려해 볼 때 축냉효과에 따라서 외기온도가 21℃ 이상일 경우 5시를 최적 운전시작시간으로 선정하는 것이 바람직하다고 판단하였으며, 결과를 토대로 엑셀프로그램을 이용하여 결과데이터를 커브 피팅(curve fitting)하여 함수식으로 도출한 결과(결정계수: R ² = 0.9476)로 최적 운전시작시간을 결정하는 함수식을 식 (1)과 같이 2차함수식으로 얻을 수 있었다.
9와 10의 외기조건을 포함하여 다른 외기조건의 경우에 대해서도 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 것이다. 표에서 볼 수 있듯이 각 경우에 대한 에너지 절감 효과의 크기에는 차이가 있으나 제안된 제어방법이 가장 에너지 절감 성능이 양호하며, Case3, Case2, 그리고 Case1등의 순으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나이트 퍼지제어란 무엇인가?	나이트 퍼지제어란 밤이나 이른 아침에 외기를 실내로 유입시켜 기계적인 냉방이 시작되기 전에 건물을 예냉하는 운전방법으로서 외기를 이용하여 실내 냉방부하를 줄여주는 외기냉방 제어방법에 속한다. Table 1은 외기냉방을 위한 나이트 퍼지제어 방법에 대해 외기도입을 위한 운전조건을 나타낸 표이다[5].
	에너지 절약방법 중 설비적 접근방법으로서 자연외기를 활용하여 에너지를 절감하는 것은 무엇에 관한 것인가?	일반적으로 건물에서의 에너지 절약방법으로는 단열, 건물 방위 및 형상 등을 통한 건축 계획적인 접근방법과 고효율 제품의 사용 및 시스템의 운전 효율을 향상, 제어 및 관리기술의 발전 등의 설비적 접근 방법이 있다[1]. 특히 설비적 접근방법으로서 최근에는 자연외기를 활용하여 에너지를 절감하고자 하는 연구가 많이 이루어지고 있는데, 이것은 BEMS(Building Energy Management System)의 제어용 소프트웨어로서 나이트 퍼지 (Night-purge)제어 및 엔탈피제어 등의 외기냉방 (Outdoor air cooling)제어에 관한 것으로써 관련 연구내용은 다음과 같다.
	건물에서의 에너지 절약방법은 어떻게 나눌 수 있는가?	일반적으로 건물에서의 에너지 절약방법으로는 단열, 건물 방위 및 형상 등을 통한 건축 계획적인 접근방법과 고효율 제품의 사용 및 시스템의 운전 효율을 향상, 제어 및 관리기술의 발전 등의 설비적 접근 방법이 있다[1]. 특히 설비적 접근방법으로서 최근에는 자연외기를 활용하여 에너지를 절감하고자 하는 연구가 많이 이루어지고 있는데, 이것은 BEMS(Building Energy Management System)의 제어용 소프트웨어로서 나이트 퍼지 (Night-purge)제어 및 엔탈피제어 등의 외기냉방 (Outdoor air cooling)제어에 관한 것으로써 관련 연구내용은 다음과 같다.

참고문헌 (5)

B. C. Ahn, "Optimal Control Algorithm of HVAC system for a DDC controller", Academic lecture of automatic control, pp35-39, 2000.
Y. D. Kang, "An analysis on the economizer cycle of the building HVAC system in terms of incoming outdoor air ratio", Master Thesis, Yonsei University, 2009.
M. Y. Kim, Y. I. Kim, "Reduction of Cooling Load using Outdoor Air Cooling", Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol.7, No.1, pp.51-58, 2011.
S. M. Lee, "The Range Selection of Outdoor Air Intake Considering the Application Period Extension in Economizer cycle", Master Thesis, Seoul National University, 2011.
J. W. Hwang, B. C. Ahn, "Effects of Control Methods of Outdoor Air Cooling System on Energy Consumption in Building", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 16, No. 6, pp.4253-4259, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.6.4253

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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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