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문제 정의
- 하지만 이코노마이저의 거동을 제대로 이해하기 위해서는 외기 온도에 따른 데이터를 분석하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 냉방에너지 저감을 위한 이코노마이저의 최적 제어 방법을 제공하고자, 사무소 건물에 이코노마이저 시스템을 적용하여 기존의 연구에서 분석된 이코노마이저의 제어방법 뿐만 아니라 이코노마이저 시스템을 적용하지 않았을 때에 대한 에너지 성능 비교 분석을 우선 실시하였다. 또한, 외기 온도 변화에 따른 시스템 구동 분석을 위해 외기온도에 따른 이코노마이저의 혼합공기온도와 외기 도입비율 분석도 추가적으로 실시하였다.
- 본 연구는 사무소 건물에 이코노마이저 사이클 시스템을 적용하여 에너지 성능평가를 목표로 하는 논문으로 이미 선행연구를 통해 검증된 EnergyPlus Simulation 프로그램을 통하여 분석을 시행하였다. 시뮬레이션은 이코노마이저를 작동하지 않는 겨울철을 제외한 4월에서 10월을 냉방기간으로 선정하여 사무소 스케줄에 따라 8시에서 18시 동안 이코노마이저 작동을 실시하였다.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 냉방에너지 저감을 위한 이코노마이저의 최적 제어 방법을 제공하고자, 사무소 건물에 이코노마이저 시스템을 적용하여 기존의 연구에서 분석된 이코노마이저의 제어방법 뿐만 아니라 이코노마이저 시스템을 적용하지 않았을 때에 대한 에너지 성능 비교 분석을 우선 실시하였다. 또한, 외기 온도 변화에 따른 시스템 구동 분석을 위해 외기온도에 따른 이코노마이저의 혼합공기온도와 외기 도입비율 분석도 추가적으로 실시하였다.
- 본 연구는 사무소 건물에 이코노마이저 사이클 시스템을 적용하여 에너지 성능평가를 목표로 하는 논문으로 이미 선행연구를 통해 검증된 EnergyPlus Simulation 프로그램을 통하여 분석을 시행하였다. 시뮬레이션은 이코노마이저를 작동하지 않는 겨울철을 제외한 4월에서 10월을 냉방기간으로 선정하여 사무소 스케줄에 따라 8시에서 18시 동안 이코노마이저 작동을 실시하였다. 냉방기간 동안 6～8월을 여름철, 나머지 달을 중간기로 선정하였다.
- 이코노마이저 사이클 제어방법으로는 실무에서 가장 많이 쓰이고 있는 건구온도 제어방법인 Differential Dry Bulb 방법과 이상적인 엔탈피 제어방법인 Differential Enthalpy 방법을 사용하였다. 외기 온도에 따른 외기 도입비율과 혼합공기온도 패턴을 확인하고 냉동기의 전기 소비량 변화를 분석하였다. 또한 이코노마이저 사이클 시스템을 작동하지 않고 항상 최소 외기량만을 도입하는 No Economizer 대비 시스템 구동 및 에너지 소비 패턴을 확인하였다.
- 외기 온도에 따른 외기 도입비율과 혼합공기온도 패턴을 확인하고 냉동기의 전기 소비량 변화를 분석하였다. 또한 이코노마이저 사이클 시스템을 작동하지 않고 항상 최소 외기량만을 도입하는 No Economizer 대비 시스템 구동 및 에너지 소비 패턴을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서는 이코노마이저 사이클 시스템을 적용한 조건 하에 내·외부조건에 따른 실의 부하 및 여러 변수들에 대한 계산을 위해 EnergyPlus를 활용하여 분석하였다.
- 기상 데이터의 경우 EnergyPlus에서 자체 제공되는 인천기상 데이터를 사용하였으며, 실내발열은 Table 1과 같이 입력하였다. 조명 및 기기 발열은 사무소 건물의 중간 발열 수준으로 선정하였다.(11, 12) 실내 설정온도는 에너지관리공단의‘공공기관 에너지절약 추진 지침’에 따라 냉방 기간 26℃로 설정하였다.
- 본 연구에서는 이코노마이저 제어 방법에 따른 에너지 성능을 비교하기 위하여 Table 2와 같이 건구온도 제어(Differential Dry Bulb), 엔탈피제어(Differential Enthalpy), 이코노마이저를 작동하지 않는 방법(No Economizer) 총 3가지 방법으로 구분하였다.(8)
- 기본 세로축은 꺽은 선형 그래프로 나타낸 혼합공기 온도의 엔탈피 값, 보조 세로축은 막대그래프로 나타낸 AHU에서 제어한 엔탈피량(△Enthalpy) 값이다. 기본 및 보조세로축의 단위는 엔탈피(kJ/kg)로 동일하며 동시 비교를 위해 범위를 다르게 설정하였다. AHU에서 제어한 엔탈피량(△Enthalpy)은 혼합공기온도와 AHU를 통과하여 만들어지는 실 공급공기 엔탈피 차이를 말하며 시스템 부하를 의미한다.
- 본 연구는 사무소 건물을 EnergyPlus로 모델링하여 이코노마이저의 3가지 제어 방법에 따른 에너지 성능을 시뮬레이션하였다. 또한, 외기온도에 따른 혼합공기온도와 외기 도입비율을 분석하여 이코노마이저의 작동에 대해 정밀하게 분석한 것으로 그 결론은 다음과 같다.
- 본 연구는 사무소 건물을 EnergyPlus로 모델링하여 이코노마이저의 3가지 제어 방법에 따른 에너지 성능을 시뮬레이션하였다. 또한, 외기온도에 따른 혼합공기온도와 외기 도입비율을 분석하여 이코노마이저의 작동에 대해 정밀하게 분석한 것으로 그 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서 선정한 시뮬레이션 프로그램은 미국의 D.O.E(에너지성)에서 개발한 EnergyPlus를 선정하였다. EnergyPlus는 비정상 상태의 열전도 및 복사, 대류 열 전달에 대해 동적 해석이 가능하며 건물의 외피와 실내·외 기상 조건에 의한 건물의 냉·난방 부하 및 열 환경에 대하 수학적으로 검증이 가능하다.
- 모델링은 EnergyPlus에서 자체 제공되는 가로 52.8 m, 세로 35.2 m, 높이 2.7 m, 4면의 벽체 창 면적비가 45%인 Large Office 모델 프로토타입을 이용하였으며, 입력 설정값은 Table 1과 같다. 공조방식은 1개의 AHU 설비를 통해 각 실에 VAV 방식으로 공조된다.
- (10) 이는 벽체 단위면적(m2)당 실내로 공급되는 외기량(m3/s)을 의미한다. 기상 데이터의 경우 EnergyPlus에서 자체 제공되는 인천기상 데이터를 사용하였으며, 실내발열은 Table 1과 같이 입력하였다. 조명 및 기기 발열은 사무소 건물의 중간 발열 수준으로 선정하였다.
이론/모형
- 냉방기간 동안 6～8월을 여름철, 나머지 달을 중간기로 선정하였다. 이코노마이저 사이클 제어방법으로는 실무에서 가장 많이 쓰이고 있는 건구온도 제어방법인 Differential Dry Bulb 방법과 이상적인 엔탈피 제어방법인 Differential Enthalpy 방법을 사용하였다. 외기 온도에 따른 외기 도입비율과 혼합공기온도 패턴을 확인하고 냉동기의 전기 소비량 변화를 분석하였다.
- 공조방식은 1개의 AHU 설비를 통해 각 실에 VAV 방식으로 공조된다. 최소외기 도입량은 ASHRAE 62.1 지침에 따라 7.62 E-04 m3/s/m2로 설정하였다.(10) 이는 벽체 단위면적(m2)당 실내로 공급되는 외기량(m3/s)을 의미한다.
성능/효과
- (8) 또한, 건물 부하 계산 시 미국의 냉동공조학회(ASHRAE)에서 권장하는 열 밸런스(Heat Balance) 방법을 사용하기 때문에 외피를 통해 발생하는 복사, 대류, 전도의 열전달 현상을 시간대별로 정밀하게 분석할 수 있다.(9) 건물 에너지 시뮬레이션의 주요 구성 요소들인 Zone, Surface, Air Heat Balance 및 System과 Plant 모델링을 각 시간 단계별로 통합적으로 실시함으로써 각 구성 요소간의 유기적인 연결 관계를 잘 모사하는 큰 장점을 지니고 있다.
- Table 3은 외기와 환기의 엔탈피를 정리한 표로, 건구온도의 현열량과 상대습도의 잠열량을 합한 값이다. 건구온도가 더 높게 나타났던 환기의 엔탈피가 외기보다 3.2 kJ/kg에서 9.9 kJ/kg 더 낮게 분석되었다. 결국, 엔탈피는 잠열량에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있다.
- DE는 외기와 환기의 엔탈피 비교를 통해 엔탈피 값이 더 높은 외기는 최소량만을 도입하여 DE 제어 방법과 NE는 같은 값을 나타내는 것으로 보인다. AHU에서 제어한 엔 탈피량 또한 DDB 제어 방법이 가장 높게 나타났는데 이는 현열제어의 경우 1 kg 당 4.19 kJ의 에너지가 소비되는 반면 잠열제어는 539 kJ의 에너지가 소비되어 잠열량이 높은 외기온도만을 도입한 DDB 제어 시 더 많은 에너지가 사용되는 것으로 보인다. 결국, 더 많은 시스템 부하가 발생하는 것으로 분석된다.
- 6 kWh로 엔탈피 제어 방법인 Differential Enthalpy가 가장 적은 에너지 소비를 나타낸다. 외기의 잠열까지 고려하여 제어하는 DE가 에너지 효율이 가장 높은 것을 확인 할 수 있다.
- (1) 외기온도에 따른 혼합공기 온도의 경우 건구온도 제어방식과 엔탈피 제어방식은 비슷한 패턴을 나타냈다. 외기온도 13℃ 이하의 구간에서 동일한 패턴을 보였고, 여름철 냉방 시에는 엔탈피 제어 방식의 혼합공기 온도가 더 높게 나타났다.
- 외기온도 13℃ 이하의 구간에서 동일한 패턴을 보였고, 여름철 냉방 시에는 엔탈피 제어 방식의 혼합공기 온도가 더 높게 나타났다. 이코노마이저를 작동하지 않았을 때에는 외기온도가 높아질수록 혼합공기온도 또한 높아지는 패턴을 보였다.
- (2) 외기온도에 따른 외기 도입비율은 여름철 냉방 설정 온도 26℃ 이후에 도입비율이 낮아지는 건구온도 제어 방식과 달리 엔탈피제어 방식은 외기의 습기를 고려하여 냉방 설정온도 보다 낮은 외기온도에서도 외기도입비율을 감소시키는 것으로 나타났다. 이코노마이저를 작동하지 않았을 때는 외기온이 상승 할수록 AHU Fan 풍량이 증가하여 외기 도입비율이 감소하는 것을 보였다.
- (2) 외기온도에 따른 외기 도입비율은 여름철 냉방 설정 온도 26℃ 이후에 도입비율이 낮아지는 건구온도 제어 방식과 달리 엔탈피제어 방식은 외기의 습기를 고려하여 냉방 설정온도 보다 낮은 외기온도에서도 외기도입비율을 감소시키는 것으로 나타났다. 이코노마이저를 작동하지 않았을 때는 외기온이 상승 할수록 AHU Fan 풍량이 증가하여 외기 도입비율이 감소하는 것을 보였다.
- (3) 이코노마이저의 제어방법에 따른 에너지 소비는 엔탈피제어 방법이 냉방기간 동안 총 45,606.6 kWh의 전기 에너지를 소비하여 건구온도제어 48,434.9 kWh, 이코노마이저를 작동하지 않았을 때 48,259.6 kWh 보다 각각 6.2%, 5.8%의 에너지가 절약되는 것으로 분석되었다. 건구온도 제어방법의 경우 다습한 여름철 외기의 조건을 고려하지 않고 외기를 도입하여 가장 높은 에너지 사용량을 나타냈다.
- (4) 냉방 기간에 거쳐 엔탈피 제어방법을 사용할 시 가장 많은 에너지를 절약할 수 있으며, 엔탈피 제어방법을 적용하지 못할 시 중간기의 경우 이코노마이저의 건구온도 제어방법 사용 시 에너지가 절약되지만 여름철의 경우 이코노마이저를 사용하지 않고 최소 외기량만을 도입하는 것이 에너지 측면에서 유리한 것으로 분석된다.
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