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문제 정의
- 본고에서는 주거용 통합 공조시스템에 대한 설명, 실제 실험주택에 적용하여 운영한 내용과 그 결과로서 실내 온열환경 제어 특성 및 에너지 절감 효과 등을 소개하고자 한다.
제안 방법
- 그림 7은 시뮬레이션을 통해 6월 한 달 동안 냉방을 실시한 결과로 주 사용실(침실1, 침실2, 거실, 안방)을 공조하면서, 여기에 대해 설정온도 제어, 설정온도+외기냉방 제어, 쾌적 범위 제어, 쾌적 범위+외기냉방 제어를 실시하는 경우의 에너지 소비 특성을 분석하였다.
- 공조기를 통해 취출된 공기는 급기 챔버, VAV 유닛을 통해 각 실로 분배, 공급된다. 급기 및 회기 덕트는 각 실에 직접 연결되는 개별덕트 방식으로 구성되었다.
- 제어는 실내 온·습도에 기반한 급기 풍량제어, 외기조건에 따른 외기냉방제어, 실내 CO2 레벨에 기준한 환기풍량 CO2 요구량 제어가 가능하다. 또한 오피스 공조와 달리 실내 내부 발열이 낮은 점, 거주밀도가 낮은 점 등 주거 건물 특성을 잘 반영한 이벤트공조모드, 송풍모드, 제습모드 등을 활용하여, 실제 사용상에서 재실자의 쾌적성을 보장하면서도 에너지 절감을 도모할 수 있는 제어논리가 적용되었다. 실내외 물리적 환경에 대한 센싱, 실내 요구조건에 따른 제어는 모두 BEMS 툴을 통해 이루어졌다.
- 본고에서는 냉방, 난방, 환기, 공기청정, 제습, 외기냉방, 이벤트공조 제어, 쾌적 범위 제어 등 주거용 건물에 특화된 공조시스템 및 제어논리를 개발하여, 실증실험 및 시뮬레이션을 통해 개발된 시스템의 실내 온열환경 제어 특성, 에너지 소비 특성을 분석하였다. 주거용 통합 공조시스템은 전실 냉방에서 기존 VRF 시스템과 거의 유사한 에너지 소비 특성을 나타냈다.
- 통합 공조시스템의 실내 온열환경 제어 특성, 시스템 운전 특성, 에너지 소비 특성을 검토하기 위해 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 시뮬레이션은 공조기, VAV 댐퍼, 덕트, 취출구, 회기공기 특성, 본 연구에서 작성한 주거용 통합 공조기의 각종 제어모드를 모두 시뮬레이션으로 모사하고자 하였다. 시뮬레이션은 TRNSYS를 이용하였다.
- TRNFlow는 당초 COMIS 기류 네트워크 모델을 TRNSYS와 연동하도록 만들어진 시뮬레이션 모듈이다. 즉 본 연구에서는 열환경 및 부하,에너지 해석에 열환경+공기환경(압력, 농도, 습도 등)을 연동하는 방법으로 주거용 통합 공조시스템의 특성을 모사할 수 있었다.
- 통합 공조시스템의 실내 온열환경 제어 특성, 시스템 운전 특성, 에너지 소비 특성을 검토하기 위해 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 시뮬레이션은 공조기, VAV 댐퍼, 덕트, 취출구, 회기공기 특성, 본 연구에서 작성한 주거용 통합 공조기의 각종 제어모드를 모두 시뮬레이션으로 모사하고자 하였다.
대상 데이터
- 그림 2는 45평 규모의 실험용 공동주택에 설치된 공조시스템의 내용이다. 실험 대상 주택은 2009년도 「건축물 에너지 절약 설계 기준」에 의거하여 설계된 건물이다. 실험용 공동주택은 실제 공동주택을 그대로 모사한 주택이다.
데이터처리
- 또한 오피스 공조와 달리 실내 내부 발열이 낮은 점, 거주밀도가 낮은 점 등 주거 건물 특성을 잘 반영한 이벤트공조모드, 송풍모드, 제습모드 등을 활용하여, 실제 사용상에서 재실자의 쾌적성을 보장하면서도 에너지 절감을 도모할 수 있는 제어논리가 적용되었다. 실내외 물리적 환경에 대한 센싱, 실내 요구조건에 따른 제어는 모두 BEMS 툴을 통해 이루어졌다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 이러한 급기 경로상의 압력손실이나 열취득을 표현하기 위한 방법으로 TRNBUILD 모델과 더불어 TRNFlow를 이용하여 모사하였다. TRNFlow는 당초 COMIS 기류 네트워크 모델을 TRNSYS와 연동하도록 만들어진 시뮬레이션 모듈이다.
- 시뮬레이션은 공조기, VAV 댐퍼, 덕트, 취출구, 회기공기 특성, 본 연구에서 작성한 주거용 통합 공조기의 각종 제어모드를 모두 시뮬레이션으로 모사하고자 하였다. 시뮬레이션은 TRNSYS를 이용하였다. 그러나 그림 6의 결과와 같이 TRNSYS의 기본적인 TRNBUILD 모델링의 경우, 본 연구에서 개발된 주거용 통합 공조시스템의 실제 실내 온도제어 특성을 제대로 표현할 수 없었다.
성능/효과
- 검토결과, 외기냉방 제어는 설정온도 조건에 대해서는 매우 효과가 있으나 이미 쾌적 영역 제어를 통해 폭 넓은 온도, 습도 제어범위를 가지는 쾌적 범위 제어에 대해서는 효과가 미미한 것으로 나타났다.
- 주거용 통합 공조시스템은 전실 냉방에서 기존 VRF 시스템과 거의 유사한 에너지 소비 특성을 나타냈다. 그러나 본 연구에서 개발한 주거용 공조시스템에 특화된 이벤트공조 제어, 쾌적 범위 제어, 외기냉방 제어 등을 적용할 경우, 기존냉방 시스템 대비 약 50% 정도의 에너지를 소비하면서도 실내 환경을 쾌적하게 제어할 수 있었다.
- 그림 5의 결과에서 설정온도(set-point temperature) 제어 대비 본 연구에서 개발한 주거용 건물의 쾌적 범위 제어를 실시하였을 경우, 에너지 소비량은 약 76% 정도로 감소되었다. 아울러 주거 건물의 특성인 사용되는 실이 일부 실에 한정되며 그 사용 시간대도 각각 다른 점에 착안하여 적용된 이벤트제어모드 중 주 사용실(안방, 거실, 침실1, 침실2) 공조에 쾌적 범위제어를 적용하여 실시한 경우, 에너지 소비량은 전실+SET-point 제어 대비 약 58% 수준으로 감소하였다. 여기에 안방만을 냉방하는 경우는 약 28% 수준으로 감소하는 결과를 보였다.
후속연구
- 향후 연구로는 본 시스템을 천장 플레넘 공간이 낮은 일반 아파트에 적용하기 위한 방안에 대하여 검토가 필요할 것으로 판단된다. 이 시스템이 국내 주거 건물에 적용되어 우리 국민들이 보다 쾌적하고 건강한 공간에 거주할 수 있기를 바라는 마음이다.
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