[논문]휴리스틱 기법을 이용한 비통신 인버터형 냉장시스템의 성능개선 알고리즘 개발

민선규; 김형준; 이주경; 황준현; 이석

doi:10.7736/kspe.2017.34.2.133

휴리스틱 기법을 이용한 비통신 인버터형 냉장시스템의 성능개선 알고리즘 개발
Heuristic Algorithm for Performance Improvement of Non-Communication Inverter Type Refrigerator 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.34 no.2, 2017년, pp.133 - 138

민선규 (부산대학교 기계공학부) , 김형준 (부산대학교 기계공학부) , 이주경 (부산대학교 기계공학부) , 황준현 (LG전자 시스템에어컨연구소) , 이석 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Inverter-Type refrigerators are known to consume less energy by varying the inverter frequency according to indoor temperatures and refrigerant pressure through indoor-outdoor communication. However, many commercial operators cannot afford to replace indoor units with ones capable of communication. In a non-communication configuration, indoor units are connected with an inverter-type outdoor unit without intercommunication abilities. The research goal is finding appropriate operating parameters to achieve energy efficiency. Thus, an operation algorithm with two modes is proposed, i.e., one to search the best operating parameters and one for normal operation with the best parameters. The experimental evaluation showed 11.27% reduction in energy consumption, indicating a good applicability of the algorithm.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

실내기와 실외기의 통신이 불가능하기 때문에 비통신형 모델 실외기에서 측정할 수 있는 정보만으로 운전하고 있어서 에너지 효율이 통신형 모델에 비해 떨어진다. 이를 보완하기 위해 본 논문에서는 탐색구간과 운전구간으로 나누어 운전하는 알고리즘을 제안한다. 탐색구간에서 운전 변수의 변화에 따른 성능을 비교하여 외부환경에 적합한 변수를 찾아 운전구간에서 이를 이용해 운전하는 방식이다.

제안 방법

본 논문에서는 비통신 인버터형 냉장 모델의 에너지 효율을 높이기 위해 탐색구간과 운전구간으로 나누어 주기적으로 반복하는 알고리즘을 제시하였고, 성능지표 P를 기준으로 가장 좋은 성능을 나타내는 목표저압 P_T와 설정온도차 T_D를 탐색하였다. 성능지표 P는 소비전력과 흡열량으로 계산되며 소비전력은 실외기의 성능을, 흡열량은 실내기 상태를 나타내는 변수이다.

대상 데이터

1에서와 같이 모니터링 PC와 실외기를 연결하였고 모니터링 프로그램을 설치하였다. 본 실험에 사용한 멀티 냉장 시스템에서는 실외 온도를 제외한 환경정보를 알 수 없기 때문에 데이터 비교를 위하여 온·습도 센서를 추가로 설치하였다. 센서는 ㈜데키스트 사의 UA10을 사용하였으며 실외기 케이스 외부, 건물 내부, 실내기 내부에 각각 설치하였다.

데이터처리

제안하는 알고리즘의 효과를 검증하기 위해 Fig. 5의 내부 루프(탐색구간)에 해당하는 실험과 외부 루프(운전구간)에 해당하는 실험을 진행하였다. 첫번째 실험은 탐색구간에서 P를 계산하기 위한 실험으로 T_D는 세 구간, P_T는 다섯 구간으로 총 여덟 구간을 측정하였다.

이론/모형

이상적으로는 T_D의 변화에 따라 발생하는 여러 신호를 분석하여 상관관계를 찾아야 하지만 온도, 습도, 실내기 내부의 상태, 조명, 실외기의 위치 등 신호에 영향을 미치는 요인이 많아 열부하를 유추하기에는 어려움이 있다. 따라서 시행착오 방법과 같이 경험적으로 성능을 개선할 수 있는 방법을 찾는 휴리스틱 기법을 적용하여 주변 환경 변화에 따라 적절한 변수를 선택하는 알고리즘을 제안한다.

성능/효과

인버터 주파수에 가장 큰 영향을 미치는 변수 T_D와 P_T를 선정하였고, 탐색구간에서 변경하면서 P를 측정 및 비교하였다. 그 결과 주변 환경에 따라 가장 좋은 성능의 변수 값이 존재한다는 것을 확인 하였으며, 알고리즘 적용 전과 비교하여 소비전력을 11.27% 절감할 수 있었다.

후속연구

이 연구에서 진행한 실험은 환경을 완벽하게 통제한 상태에서 이루어진 것이 아니기 때문에 연구결과의 신뢰성을 높이기 위하여 환경이 통제된 Chamber에서 실험을 진행하는 것이 필요하다. 또한, 탐색구간에서 변수 값을 선정하는데 소요되는 시간을 줄이기 위한 효율적인 탐색 방법이 필요하며, 반복 실험을 통해 가중치 α와 탐색구간과 운전구간의 시간을 재정의할 필요가 있다. 탐색구간에서는 시스템 구동 중에 변수 값이 계속 변동되어 에너지효율이 좋지 않으므로 최소한의 시간으로 가장 좋은 성능지표를 계산할 수 있는 변수 값들을 탐색해야 한다.
이 연구에서 진행한 실험은 환경을 완벽하게 통제한 상태에서 이루어진 것이 아니기 때문에 연구결과의 신뢰성을 높이기 위하여 환경이 통제된 Chamber에서 실험을 진행하는 것이 필요하다. 또한, 탐색구간에서 변수 값을 선정하는데 소요되는 시간을 줄이기 위한 효율적인 탐색 방법이 필요하며, 반복 실험을 통해 가중치 α와 탐색구간과 운전구간의 시간을 재정의할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영업용 냉장고의 특징은 무엇인가?	영업용 냉장고는 가정용 냉장고와 달리 에어컨처럼 증발기와 팽창밸브가 배치된 실내기와 압축기와 응축기로 구성된 실외기로 이루어져있다. 증발기에서 냉매가 증발할 때 흡수하는 잠열로 인해 냉장고의 온도가 떨어지며, 증발기에서 열을 흡수하여 증발한 냉매를 압축기에서 고온 고압의 기체로 만든다.
	인버터형 모델의 장점은 무엇인가?	인버터형 모델의 장점은 주변환경과 고내 열부하를 측정하여 압축기 회전수를 조절해 불필요한 에너지 소모를 줄일 수 있다.6 하지만 고내의 열부하를 측정하기 위해서는 실외기와 실내기 사이의 통신이 가능해야 한다.
	압축기의 에너지 효율을 높이기 위한 연구는 무엇이 있었는가?	그 중에서도 압축기는 전체 소비전력의 80% 이상을 차지하기 때문에 압축기의 에너지 효율을 높이기 위해 다양한 방법으로 연구가 진행되어 왔다. 대표적인 연구로 냉각 용량 가변형 인버터 압축기 개발을 통해 약 14.3%의 에너지 절감을 달성한 Shin et al.의 연구와2 Choi et al.의 에너지 소비효율은 압축기 회전수에 무관한 냉매봉입량이 존재한다는 것을 증명한 연구가 있다.3 그리고 Lee et al.의 연구에서는 절감형 전력변환기, 통합제어기, 단일제어기를 개발을 통해 멀티 냉장시스템의 소비전력을 약 7.5% 개선하였으며,4 Son et al.은 PWM인버터로 구동되는 선형압축기의 기계적·전기적 공진주파수 분석을 바탕으로 압축기 효율을 약 6.8% 증가시키는 제어 방법을 제안하였다.5 여러 가지 개선 방법중 냉각 용량 가변형 인버터 압축기가 가장 좋은 효과를 보였으며 이에 따라 최근에 출시되는 실외기에는 인버터형 압축기를 주로 사용하고 있다.

참고문헌 (8)

Lim, H. J., Lee, J. K., Hwang, J. H., Lee, K. C., and Lee, S., “Signal Analysis of Inverter-Type Outdoor Unit for Detecting Operation Changes of Commercial Refrigerator,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 33, No. 6, pp. 517-523, 2016.

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Shin, D.-S., Kim, H.-J., Lee, B.-M., and Lee, B. M., "Development of the Inverter Freezer and Refrigerator with a Variable Cooling Capacity Compressor," Symposium of the Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 1877-1882, 2002.
Choi, D.-G., Kim, K.-C., and Kim, J.-S., “An Experimental Study on the Performance of an Inverter Heat Pump with a Variation of Frequency and Refrigerant Charging Amount,” Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 13, No. 1, pp. 66-72, 2001.
Lee, S.-T., Kim, H.-J., and Kim, D.-K., “Development of Multi-Refrigerator Energy-Saving Power Converter and the Combined Control System,” The Transactions of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 6, pp. 516-522, 2012.

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Son, J.-K. and Chun, T.-W., “Analysis and Efficiency Control of Linear Compressor System for Refrigerator Driven by PWM Inverter,” The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 62, No. 11, pp. 1544-1549, 2013.

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McQuiston, F.-C. and Parker, J.-D., "Heating, Ventilating and Air Conditioning: Analysis and Design," John Wiley & Sons, 5th Ed., pp. 517-523, 2000.
Amari, S.-I., “Backpropagation and Stochastic Gradient Descent Method,” Neurocomputing, Vol. 5, No. 4, pp. 185-196, 1993.

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Smith, R., Inomata, H., and Peters, C., "Introduction to Supercritical Fluids: A Spreadsheet-Based Approach," Newnes, 2013.

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