[논문]외기냉방 시스템의 제어방법이 에너지 소비량에 미치는 영향에 관한 연구

황진원; 안병천

doi:10.5762/kais.2015.16.6.4253

외기냉방 시스템의 제어방법이 에너지 소비량에 미치는 영향에 관한 연구
Effects of Control Methods of Outdoor Air Cooling System on Energy Consumption in Building 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.6, 2015년, pp.4253 - 4259

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

초록
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본 연구에서는 자연외기를 활용하여 건물의 에너지절약을 위한 외기냉방제어 시스템에 대하여 다양한 제어방법에 따른 제어특성 및 에너지 소비량에 미치는 영향에 관해 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 연구 방법으로는 TRNSYS 프로그램을 활용하여 시스템 해석 모델링을 수행하였으며, 외기 냉방을 하지 않은 경우와 기존의 외기냉방 제어방법들을 적용하였을 경우에 대해 제어성능에 대한 비교 분석이 이루어졌다. 연구 결과로 외기온도 변화에 따라 적절한 외기도입 온도조건을 선정하는 것이 에너지 절감에 효과적이며, 외기와 환기온도를 비교하여 온도제어하는 방법이 에너지 절감효과가 가장 크게 나타남을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of various control methods of outdoor air cooling control system on control characteristics and energy consumption in building are researched by simulation. The system analysis modelling is done by using TRNSYS program package, and the control performances with existing outdoor air cooling methods are compared with the control ones without outdoor air cooling. As a result, appropriate operating temperature conditions of outdoor air cooling system according to outdoor temperature changes are required, and the outdoor air/return air dry bulb temperature comparison control method among the control methods shows best responses in energy savings.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 TRNSYS 프로그램을 이용하여 시스템을 모델링하고 자연외기를 이용한 외기냉방시스템의 제어방법들의 제어특성 및 에너지소모량 특성을 비교 고찰하였으며, 또한 각 제어방법들을 적용함에 있어 제어인자들이 에너지 소비특성에 미치는 영향 등을 연구하였다.
본 연구는 현재 적용되고 있는 빌딩 에너지 관리 시스템의 제어용 소프트웨어 중 자연외기를 활용하여 건물부 하를 저감시킴으로써 에너지 절감을 기할 수 있는 외기냉방제어를 적용함에 있어서 다양한 외기냉방 제어방법이 에너지 소비량에 미치는 영향을 비교 고찰하였으며, 이에 대한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 외기냉방이 가능한 시기인 4∼10월에 대해 외기냉방 제어를 적용하였을 때의 제어방법별 에너지 소비량 특성을 비교 고찰하였는데, 전체적으로 유사한 경향이 나타났는데 냉방부하가 가장 큰 시기인 8월 한 달 동안에 대한 결과만을 대표적으로 나타내었다.
본 연구에서는 외기냉방제어 시스템의 제어방법에 따른 제어특성 및 에너지소비량에 미치는 영향을 연구하기 위하여 Fig. 1과 같이 에너지 해석용 TRNSYS 프로그램을 사용하여 시스템 모델링을 수행하였다. 또한 Fortran 프로그램으로 제어알고리즘에 대한 코딩을 통해 외기냉방제어 시스템을 구성하여 TRNSYS 프로그램에 적용하여 외기냉방제어 방식들에 대한 에너지 절약 제어성능을 비교 고찰하였다.

가설 설정

6은 Case2와 Case4의 경우와 같이 외기도입 설정온도가 정해져 있는 경우에 대해 외기도입 설정온도를 22℃∼25℃ 로 각각 변화시켰을 경우에 대한 공조기 팬 제어신호를 나타낸 그림이다. 실내설정온도가 26℃임에 따라 최대 외기도입 온도를 25℃로 정하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 외기도입 온도설정값이 클수록 팬 운전시간은 길어지는 것을 볼 수 있다.

제안 방법

냉수온도, 급기온도 및 실내설정온도는 Table 3과 같이 선정하여 시뮬레이션을 수행하였고, 외기냉방제어의 외기도입 설정온도 및 설정온도범위에 대한 제어성능과의 상관관계를 분석하고 각 Case별 전체 에너지 소모량에 대하여 비교 분석하였다.
1과 같이 에너지 해석용 TRNSYS 프로그램을 사용하여 시스템 모델링을 수행하였다. 또한 Fortran 프로그램으로 제어알고리즘에 대한 코딩을 통해 외기냉방제어 시스템을 구성하여 TRNSYS 프로그램에 적용하여 외기냉방제어 방식들에 대한 에너지 절약 제어성능을 비교 고찰하였다.
본 연구에서 적용된 제어방법으로는 외기냉방을 하지 않은 경우(Case1)와 앞서 언급한 H사의 외기냉방제어 방법 4가지(Case2∼Case5)를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 외기냉방시스템의 제어방법들의 제어 특성 및 에너지소모량 특성을 비교 고찰하기 위해 대표적인 자동제어 업체인 H사에서 발행한 매뉴얼에 수록된 외기냉방제어[3]를 적용하였으며, 제어방법으로는 온도 제어 방법 2가지와 엔탈피제어 방법 2가지이며 Table 1은 각 제어방법에 대한 외기도입을 위한 운전조건을 나타낸 표이다.
외기냉방제어 시스템의 제어방법에 따른 에너지 소비량에 대한 해석과 외기도입 온도조건 변화 등에 관한 비교 해석을 위하여 동일한 조건인 날로 수행하였으며, 냉방이 필요한 조건을 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
일반적으로 시뮬레이션 연구를 수행함에 있어서는 에너지 해석모델의 정확성을 고려하여 실험 측정치와의 비교검증이 요구되나, 본 연구에서는 실험 측정 및 모델링의 검증은 이루어지지 않았으며 해석 모델을 실제 건물을 대상으로 하여 건물 규모 및 설비기기들의 용량을 고려하여 시뮬레이션 모델링이 수행되었다. 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. 2와 같이 단순화 모델로 해석하였다. Table 2는 실내부하모델 및 중앙냉방시스템 구성 기기의 사양을 나타낸 것이다.
다수의 공조기와 팬코일 유닛을 통해 냉 ⋅ 난방이 이루어지고 있다. 일반적으로 시뮬레이션 연구를 수행함에 있어서는 에너지 해석모델의 정확성을 고려하여 실험 측정치와의 비교검증이 요구되나, 본 연구에서는 실험 측정 및 모델링의 검증은 이루어지지 않았으며 해석 모델을 실제 건물을 대상으로 하여 건물 규모 및 설비기기들의 용량을 고려하여 시뮬레이션 모델링이 수행되었다. 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.

대상 데이터

이를 위해 시뮬레이션 대상모델을 선정하고 모델링을 수행하였는데, 대상건물은 경기도 용인시에 소재한 H사 연구소로 공조 면적 약 3,008m²이며, 5개 층으로 구성되어 있다. 다수의 공조기와 팬코일 유닛을 통해 냉 ⋅ 난방이 이루어지고 있다.

성능/효과

1. 외기냉방제어가 이루어질 경우 실내공기온도 크기가 상대적으로 낮게 나타나고 있으며 온도가 증가함에 있어서도 상대적으로 느리게 변화됨을 알 수 있다. 이것은 외기냉방으로 인한 건물의 축냉효과를 나타낸 것으로써 초기 냉방부하를 줄여 에너지 절감효과가 나타남을 알 수 있다.
2. Case2와 Case4의 경우 외기도입 설정온도가 낮으면 가동시간이 줄어 초기 냉방부하 절감효과가 적어지며 너무 높으면 팬 전력 소모량이 커짐에 따라 에너지 축냉성능에 비해 에너지 소모량이 좀 더 크게 나타나게 된다. 따라서 외기온도 변화에 따른 적절한 외기도입 온도조건을 선정하는 것이 에너지 절감에 중요하다는 것을 알 수 있다.
3. Case3의 경우 실내 엔탈피가 외기 엔탈피 보다 더 낮아도 낮은 온도의 공기를 더 많이 받아들여 줌으로써 냉방부하를 줄여주게 되며, Case5는 Case3에 비해 외기도입 온도가 높게 설정되어 기계냉방이 더 빨리 일어나서 운전시간의 증가로 에너지 소모량은 약 4.14% 높게 나타났다.
4. 외기온도와 환기온도를 비교하여 제어하는 Case3이 에너지를 가장 적게 소비한 것을 알 수 있었으며, 다음으로 Case5이고, Case2와 Case4는 거의 차이가 없었다. 또한 Case3은 외기냉방제어를 하지 않은 Case1에 비해 23%의 에너지 절감이 가능함을 알 수 있었다.
외기온도와 환기온도를 비교하여 제어하는 Case3이 에너지를 가장 적게 소비한 것을 알 수 있었으며, 다음으로 Case5이고, Case2와 Case4는 거의 차이가 없었다. 또한 Case3은 외기냉방제어를 하지 않은 Case1에 비해 23%의 에너지 절감이 가능함을 알 수 있었다.
그림에서 살펴보면 기계냉방이 가동되었을 때 냉수온도 및 급기온도가 설정 값인 8℃와 16℃를 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 외기냉방제어 수행 시 댐퍼 개도율과 팬 가동이 100%(제어신호 값 : 1.0)를 나타내며, 기계냉방 수행 시 30%(제어신호 값 : 0.3)의 댐퍼 개도율과 함께 급배기팬은 회전속도가 조절되어 나타나는 것을 볼 수 있다.
그림에서 볼 수 있듯이 Case3의 경우가 에너지를 가장 적게 소비한 것을알 수 있었으며, 다음으로 Case5이고, Case2와 Case4는 거의 차이가 없었다. 또한, Case3는 외기냉방제어를 적용하지 않은 Case1에 비해 23%의 에너지 절감이 가능함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국가 기간 에너지 소비의 직⋅간접적인 영향을 주는 요소는 무엇인가?	에너지소비 비율을 보면 건물의 에너지 소비량은 국가 에너지 총 소비량의 약 30%를 초과하여 국가 기간 에너지 소비에도 직⋅간접적인 영향을 주는 중요한 요소이다. 특히 건물에서 냉난방 공조 설비의 부분이 차지하는 비중은 약 50%이상을 차지하여 건물 에너지 소비의 주요 원인이 되고 있다.
	우리나라 전체 에너지의 해외 의존도는 1차 에너지를 기준으로 몇 퍼센트인가?	현재 우리나라는 전체 에너지의 해외 의존도가 1차 에너지를 기준으로 98% 수준까지 도달해 있으며, 산업의 가속화와 경제 성장으로 인하여 점차 증가하고 있는 추세이다.
	건물에서의 에너지 절약을 위한 관련 연구에는 무엇이 있는가?	먼저 강[1]은 외기냉방제어의 적용 시 건물의 에너지부하를 줄여 줄 수 있으며, 외기도입량을 크게 할 경우가 외기냉방효과가 증가됨을 보여주었으며, 김[2]은 계절별 가능한 외기냉방 가동시간에 대해 연구하였고 외기냉방 제어 시 잠열부하가 증가할 경우 엔탈피 제어방식이 유리하다고 하였다. 그리고 이[3]는 우리나라처럼 계절에 따라 외부의 기후적인 특성이 다양하게 변화하는 상황에서는 실내의 기준 온도를 고정하지 않고 계절에 맞게 변동시키고 변화 하는 외부의 기후적인 특성과 급기 기준에 따라서 외기의 도입 범위가 변화되어야 한다고 하였다.

참고문헌 (5)

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.
HVAC Applications, ASHRAE HANDBOOK, SI Edition, Chapter.38-41, 2007.
J. H. Heo, "Building Energy Management Technology", Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, Vol. 4, No.2, pp.18-24, 2010.

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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