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문제 정의
- 그러나 종래의 연구에서는 전열교환형 환기장치(ERV)를 이용한 나이트 퍼지 운전의 적정 운전시간 및 제어방법에 대한 논의는 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 나이트 퍼지 제어방법 및 운전시간에 따른 실내온도 변화 및 에너지 소비량을 검토하고자 한다.
제안 방법
- 5는 나이트 퍼지 운전 시간을 6시간, 2시간, 1시간, 30분하였을 때, 각 검토 케이스에 대한 실내온도와 AC의 가동 시간을 나타낸 그래프이다. TRNSYS에서는 1개의 존에 1개 이상의 air-node를 설정할 수 있으며, 본 연구에서는 실내온도 측정을 위해 실 중앙에 air-node 1개를 설정하여 분석하였다.
- 나이트 퍼지 제어의 초기 냉방부하 및 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 냉방기인 7월 3일부터 5일까지 3일 동안 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 학교 운영 시작시간인 08시를 기준으로 각 케이스 별 08시 실내온도 및 실내 벽면 온도와 에너지 사용량을 분석하였다.
- TRNSYS 시뮬레이션은 다양한 HVAC 모델링이 가능하고 자유로운 알고리즘 구현이 가능하다. 따라서 TRNSYS 시뮬레이션을 사용하여 시스템에어컨(AC)과 전열교환형 환기장치(ERV)가 설치되어 있는 학교에 ERV를 이용한 나이트 퍼지 제어를 실시하여 그 효과를 분석하였다.
- 본 논문에서는 현재 학교에서 일반적으로 사용하고 있는 시스템에어컨(AC)과 전열교환형 환기시스템(ERV)의 나이트 퍼지 운전 시간 및 제어 방법에 따른 실내 초기온도 및 에너지 소비량을 TRNSYS 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
- 시뮬레이션 케이스(Table 5)는 야간 나이트 퍼지 제어가 없이 수업시간 동안 AC만 가동하는 Case 1, ERV 전열교환모드를 적용하여 나이트 퍼지 제어를 실시하는 Case 2, 외기조건에 따라 전열교환을 실시하지 않는 바이패스 모드로 ERV를 가동하는 Case 3의 3가지 케이스에 대해 분석을 실시하였다. 이때 Case 3은 실외엔탈피가 실내 엔탈피보다 작을 때, 전열교환을 하지 않고 fan만 가동하였다.
- 실내 내부발열 스케줄 및 AC 운전시간은 고등학교 학급 일일 이용시간(14)에 따라 동일하게 설정하였다. 시스템은 학교 건물의 1인당 필요 환기량 21.6 CMH,(14) 재실인원 30명(15)을 기준으로 하여, 적정 성능을 가진 AC와 ERV 사양(16)을 적용하였다. 벽체 구성 및 열적특성은 Table 4와 같으며 나이트 퍼지 적용 시간의 대부분이 야간이기 때문에 일사는 고려하지 않았다.
- 이때 Case 3은 실외엔탈피가 실내 엔탈피보다 작을 때, 전열교환을 하지 않고 fan만 가동하였다. 아울러 이들 3가지 케이스에 대해 ERV를 이용한 나이트 퍼지 운전시간을 6시간, 2시간, 1시간, 30분으로 설정하여 각각의 운전시간에 대한 실내온도, 실내 벽면 온도의 변화 및 AC와 ERV의 에너지 사용량을 비교하였다.
- 학교 건물의 나이트 퍼지 운전시간 및 제어방법에 따라 학교 운영 시작 후 초기 30분 동안의 AC 에너지 소비량과 나이트 퍼지 운전 중 ERV의 에너지 사용량을 분석하였다. 총에너지 사용량은 AC의 압축기, 실내기와 ERV의 에너지 사용량을 합산하였다.
- 학교 건물의 나이트 퍼지 운전시간 및 제어방법에 따라 학교 운영 시작 후 초기 30분 동안의 AC 에너지 소비량과 나이트 퍼지 운전 중 ERV의 에너지 사용량을 분석하였다. 총에너지 사용량은 AC의 압축기, 실내기와 ERV의 에너지 사용량을 합산하였다.
- 나이트 퍼지 제어의 초기 냉방부하 및 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 냉방기인 7월 3일부터 5일까지 3일 동안 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 학교 운영 시작시간인 08시를 기준으로 각 케이스 별 08시 실내온도 및 실내 벽면 온도와 에너지 사용량을 분석하였다.
대상 데이터
- 분석 대상건물은 Fig. 1과 같이 경기도 김포시 장기동의 J고등학교 A동으로 2층 중간에 위치한 면적 67.24 m², 층고 2.6 m의 교실이다.
- 시뮬레이션의 기후데이터는 대한설비공학회에서 작성한 서울지역의 기후데이터(13)를 사용하였으며, 실내 설정온도, 실내 내부발열, 시스템 운전스케줄 등의 시뮬레이션 조건은 Table 3과 같다. 실내 내부발열 스케줄 및 AC 운전시간은 고등학교 학급 일일 이용시간(14)에 따라 동일하게 설정하였다.
이론/모형
- 실내 환경 및 에너지 사용량을 분석하기 위해 시뮬레이션 분석은 TRNSYS(12)을 이용하였다. TRNSYS 시뮬레이션은 다양한 HVAC 모델링이 가능하고 자유로운 알고리즘 구현이 가능하다.
성능/효과
- (1) 나이트 퍼지 운전 시간이 길어질수록 학교 건물 운영 시작 시간인 08시의 실내온도는 감소하였다.
- (3) 외기도입에 바이패스 모드를 적용한 Case 3의 아침 08시 실내외 벽면 온도 차는 ERV 가동시간이 6시간, 2시간, 1시간, 30분순으로 작아져 나이트 퍼지 운전시간이 길수록 축열 제거성능이 높은 것으로 나타났다.
- 그러나 각각의 제어방식에서 잠열의 영향을 고려해야 하며, 특히 여름철 잠열부하가 증가하는 측면을 고려해야 한다.(3, 5) 한국과 같이 여름철 덥고 습한 기후에서는 엔탈피 제어가 온도 제어보다 효과적이며, 엔탈피 제어 시 잠열부하를 고려하기 때문에 온도 제어 보다 외기도입량이 감소하는 것으로 나타났다. 엔탈피 기반 외기도입 제어의 에너지 소비량이 가장 적게 나타났다.
- (4) 바이패스 모드를 적용한 Case 3의 교실 운영 초기 30분 동안의 냉방부하는 ERV를 이용한 Night Purge 운전시간이 길수록 줄어드는 결과를 보였다.
- (5) 에너지 사용량은 Case 2와 같이 ERV의 에너지 사용량으로 인해 전체 에너지 소비량이 증가할 수 있으며, 바이패스 모드를 적용하는 Case 3이 전반적으로 전체 에너지 소비량이 낮은 결과를 보였다. Case 3의 바이패스 모드의 운전시간이 2시간인 경우가 전체 에너지 소비량을 절감하는 측면에서는 가장 효과적인 것으로 나타났다.
- 9는 3일(7/3~7/5) 동안 학교운영 시작 후 초기 30분에 대한 에너지 사용량 평균을 비교한 그래프이다. AC의 에너지 사용량은 AC만 가동한 Case 1이 가장 높게 나타나지만, 총에너지 사용량은 ERV의 에너지 사용량으로 인해 Case 2가 높게 나타났다. 총에너지 사용량은 전반적으로 나이트 퍼지 운전을 바이패스 모드를 적용한 ERV 제어를 한 Case 3이 낮게 나타났다.
- 결과적으로 학교 운영시간 초기 30분 동안의 AC 가동시간은 Case 1은 24분, Case 2는 약 23.4분, Case 3은 약 22.7분으로 나이트 퍼지를 통해 AC의 가동 시간도 감소됨을 알 수 있다.
- 즉 나이트 퍼지 운전에 의해 냉방시스템 가동 전 초기 실내온도를 낮출 수 있었다. 아울러 나이트 퍼지를 실시할 경우에도 바이패스 모드를 적용하는 것이 가장 효과적이라는 결과를 확인하였다.
- 71℃로 실내 벽면 온도가 가장 높게 나타났다. 즉, 나이트 퍼지 운전 시간이 길수록 대상 교실의 08시 실내 벽면온도는 낮게 나타나, 나이트 퍼지 운전을 통한 실내 축열 제거 성능을 확인할 수 있었다.
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