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문제 정의
- 본 연구에서는 건물 운영자의 경험이나 판단에 의존하지 않고 자동으로 운전될 수 있는 부하예측 외기냉방을 제안하고 그 효과를 분석하였다. 제안한 부하예측 외기냉방은 사전에 예측된 외기정보와 냉방부하 정보를 이용하여 외기냉방을 수행하는 제어방법으로, 외기냉방을 수행함으로써 얻을 수 있는 효과를 사전에 시설운영자에게 제공하고 건물자동화시스템과 연동하여 제어안정성을 보장함으로써 외기냉방의 적극적인 활용을 이끌어 낼 수 있을 것이라 예상된다.
- 본 연구에서는 단순한 시스템으로도 큰 에너지 절감효과를 얻을 수 있는 외기냉방시스템의 보급을 활성화하기 위해서 부하예측 외기냉방을 제안하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 익일에 대해 예측된 외기상태 정보와 냉방부하 정보를 이용하여 부하를 제거하는 동시에 실내온도가 쾌적한 범위 내에서 유지되도록 외기를 도입하는 부하예측 외기냉방을 제안하였다.
- (5, 6) 국내에서 수행된 기존의 연구는 외기냉방 제어방법에 따른 에너지 절감량 분석의 해석적 연구에 치중되어 왔으며, 사무시설,(6) 아파트형공장건물,(7) 공동주택,(8) 초고층 주거용 건물,(9) 도서관(10) 그리고 데이터센터(11) 등 다양한 현장에 대해 분석하였다. 또한 Cheon et al.
- 동적해석프로그램인 TRNSYS를 이용하여 벤치마킹존의 특성과 공조기를 모델링하고 해석을 수행하였다. TRNSYS simulation studio를 통해 구성된 해석흐름도는 Fig.
- 벤치마킹 존은 9시부터 19시까지 공조되도록 하였고, 외기냉방의 적정여부 조건설정에서 hsetting와 Tsetting.max는 각각 실내 환기측의 엔탈피와 온도로 설정하였고, Tsetting.min은 ASHRAE Standard 55-2004(17)에서 제안한 cold draft를 느껴 불만족을 느끼는 사람의 비율을 정의한 식(8)과 일반적인 조건을 감안하여 15℃로 설정하였다.
- 본 연구에서 제안한 부하예측 외기냉방은 사전에 예측된 익일의 외기상태와 냉방부하 정보를 이용하여 이에 맞는 외기냉방을 수행하는 특징을 갖는다. 이때 냉방부하는 곧 실내상태변화를 의미하므로, 부하예측 외기냉방은 실내외의 공기상태와 열상태를 고려한 제어라 할 수 있다.
- 이때 공조기를 Matlab과 연동되도록 하였고, 외기냉방 제어조건 및 외기냉방 스케쥴을 Matlab에 코딩하여 공조기의 외기도입률이 결정되도록 하였다. 외기냉방 예측제어만의 효용성을 확인하기 위해 부하예측 제어에 사용된 기상조건과 냉방부하는 TRNSYS에서 제공 또는 계산된 값을 그대로 사용하고, 외기냉방 판단주기를 30분으로 설정하여 30분 간격으로 외기도입률을 사전에 정하여 해석에 반영하였다.
- 외기냉방 제어방법에 따른 해석결과를 분석하기 전에 지역별 외기냉방 가능시간을 우선 분석하였다. Fig.
- 외기냉방의 효과를 보다 상세하게 비교하기 위해 연간이 아닌 하루 동안의 변화를 비교하였다. Fig.
- 외기냉방 가능시간이 지역별로 차이가 나타나는지 분석하기 위해 년중 외기냉방 가능시간의 비율을 비교하여 Table 3에 나타내었다. 이때 TRNSYS에서 제공하는 TMY2 형식의 표준기상데이터와 기상청에서 최근 5년간 측정하였던 기상데이터를 비교․분석하였다. 평년과 다른 외기상태를 보인 2013년을 제외하면 년중10% 이상의 높은 시간동안의 외기냉방이 가능함을 알 수 있고, 평균 외기도입 가능비율이 표준기상데이터의 비율과 유사한 것으로 보아 표준기상데이터를 외기냉방 검증에 사용해도 무방할 것으로 여겨진다.
- 서울 이외의 지역을 포함하여 외기냉방 전후의 연간 냉각코일 부하와 그에 따른 에너지 절감률, 그리고 최대 실내온도 하강값을 지역별로 비교한 결과를 Table 5에 나타내었다. 이때 부하예측 제어의 최저 냉방온도설정점을 앞서와 동일하게 24℃로 유지하였으며, 엔탈피 제어방법과 부하예측 제어방법의 차이를 비교하였다. 남부지역일수록 연중기온이 높아 냉방부하가 크고, 중부지역일수록 연중기온이 낮아 외기냉방에 의한 에너지 절약효과가 큼을 알 수 있다.
- 제안한 부하예측 외기냉방은 사전에 예측된 외기정보와 냉방부하 정보를 이용하여 외기냉방을 수행하는 제어방법으로, 외기냉방을 수행함으로써 얻을 수 있는 효과를 사전에 시설운영자에게 제공하고 건물자동화시스템과 연동하여 제어안정성을 보장함으로써 외기냉방의 적극적인 활용을 이끌어 낼 수 있을 것이라 예상된다. 이때 특정 지역에 대해서만 분석되던 기존 연구와 달리 다양한 지역에 대한 외기냉방효과를 비교하였고, 제안한 외기냉방제어방법의 효과 중 하나인 적절한 쾌적성 유지를 위해 실내온도 또한 주요인자로 고려하였다.
- 이때 냉방부하는 곧 실내상태변화를 의미하므로, 부하예측 외기냉방은 실내외의 공기상태와 열상태를 고려한 제어라 할 수 있다. 제안한 제어방법은 기존 제어방법과 달리 예측정보를 이용하여 수십분 간격으로 외기냉방 수행여부를 결정하므로 잦은 외기댐퍼 조작을 방지하고 실내에 쾌적한 기류를 형성할 수 있다. 또한 냉방부하를 제거하고 실내온도를 적절히 유지할 만큼만 외기를 도입하는 특징을 갖는다.
대상 데이터
- 외기냉방 예측제어의 에너지 절감효과 및 쾌적성 유지효과를 분석하기 위해 대전시 K연구원에 위치한 연구용 건물의 대형 교육시설을 벤치마킹 존으로 설정하 였으며, 벤치마킹 존의 설계사항을 포함한 정보를 Table 1에 표시하였다.
성능/효과
- (2) 외기냉방 가능시간을 분석한 결과, 환절기인 4, 5, 6, 9, 10월에 집중되어 외기냉방이 가능하며, 최근5년 동안의 외기냉방 가능시간은 지역에 상관없이연중 10% 이상으로 나타났다.
- (3) 서울지역에 대한 외기냉방 전후의 에너지 절감량과실내상태 변화를 분석한 결과, 기존 엔탈피 제어의연중 에너지 절감률은 14.9%였지만 실내온도는 최대 3.55℃ 감소하였다. 반면 부하예측 제어는 에너지절감률이 9.
- (4) 부하예측 외기냉방은 최저 냉방온도 설정점을 낮게 할수록 최대 실내온도 하강은 커지지만 에너지절감량은 증가하고 기존 엔탈피 제어의 절감량에접근해 간다.
- (5) 지역별 외기냉방 효과를 분석한 결과, 전국적으로 10% 내외의 에너지 절감효과를 얻을 수 있으며,중부지역으로 갈수록 연중 냉방부하는 작지만 에너지 절감률은 커진다.
- 이때 부하예측 제어의 최저 냉방온도설정점을 앞서와 동일하게 24℃로 유지하였으며, 엔탈피 제어방법과 부하예측 제어방법의 차이를 비교하였다. 남부지역일수록 연중기온이 높아 냉방부하가 크고, 중부지역일수록 연중기온이 낮아 외기냉방에 의한 에너지 절약효과가 큼을 알 수 있다. 하지만 공통적으로 기존의 엔탈피 제어는 높은 에너지 절감효과를 얻을 수 있으나 실내온도 변화가 3.
- 반면 부하예측 제어는 환절기 중에도 겨울철에 가까운 시간에는 실내온도 하강이 적고, 여름에 가까운 시간에는 실내온도 하강이 비교적 큼에 따라 거주자가 보다 안락한 온열감을 가질 수 있다. 부하예측 제어의 최대 실내온도 하강값은 최대 1.66℃이며, 이러한 결과를 통해 부하예측 제어가 기존의 엔탈피 제어보다 실내 쾌적성을 유지하는데 유리함을 알 수 있다.
- 외기냉방이 가능한 시간은 환절기에 집중됨을 알 수 있고 때론 여름에도 외기냉방의 작동이 필요함을 알 수 있다. 새벽보다 온도가 비교적 높은 공조시간 동안만을 분석하였음에도 외기냉방 가능시간의 비율이 상당히 높게 나타났다.
- 이때 TRNSYS에서 제공하는 TMY2 형식의 표준기상데이터와 기상청에서 최근 5년간 측정하였던 기상데이터를 비교․분석하였다. 평년과 다른 외기상태를 보인 2013년을 제외하면 년중10% 이상의 높은 시간동안의 외기냉방이 가능함을 알 수 있고, 평균 외기도입 가능비율이 표준기상데이터의 비율과 유사한 것으로 보아 표준기상데이터를 외기냉방 검증에 사용해도 무방할 것으로 여겨진다.
- 이때 부하예측 제어의 실내 최저온도점은 24℃를 기준으로 하였다. 표에서 알 수 있듯이 외기냉방에 의한 에너지 절감효과는 환절기인 4~6월과 9~10월에 집중되어 얻을 수 있고, 여름철인 7월과 8월은 효과가 거의 없음을 알 수 있다. 또한엔탈피 제어와 부하예측 제어 모두 큰 에너지 절감효과를 얻을 수 있으나 부하예측 제어가 절감효과가 약간 적음을 알 수 있다.
- 남부지역일수록 연중기온이 높아 냉방부하가 크고, 중부지역일수록 연중기온이 낮아 외기냉방에 의한 에너지 절약효과가 큼을 알 수 있다. 하지만 공통적으로 기존의 엔탈피 제어는 높은 에너지 절감효과를 얻을 수 있으나 실내온도 변화가 3.5℃ 이상으로 크게 변동하고 있는 반면, 제안한 부하예측 제어는 10% 내외의 에너지 절감효과를 얻으면서 2℃ 내외의 온도변화만을 보이고 있다. 따라서 부하예측 제어는 실내를 쾌적하게 유지함과 동시에 적절한 에너지 절감효과를 얻을 수 있는 외기냉방 제어방법이다.
후속연구
- 본 연구에서는 건물 운영자의 경험이나 판단에 의존하지 않고 자동으로 운전될 수 있는 부하예측 외기냉방을 제안하고 그 효과를 분석하였다. 제안한 부하예측 외기냉방은 사전에 예측된 외기정보와 냉방부하 정보를 이용하여 외기냉방을 수행하는 제어방법으로, 외기냉방을 수행함으로써 얻을 수 있는 효과를 사전에 시설운영자에게 제공하고 건물자동화시스템과 연동하여 제어안정성을 보장함으로써 외기냉방의 적극적인 활용을 이끌어 낼 수 있을 것이라 예상된다. 이때 특정 지역에 대해서만 분석되던 기존 연구와 달리 다양한 지역에 대한 외기냉방효과를 비교하였고, 제안한 외기냉방제어방법의 효과 중 하나인 적절한 쾌적성 유지를 위해 실내온도 또한 주요인자로 고려하였다.
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