건물에 의한 에너지 소비량은 미국 및 일본 등 선진국에서는 전체 국가 에너지 소비량의 40%에 육박하고 있으며, 우리나라에서도 전체 에너지 소비량의 24%를 차지하고 있는 것으로 보고되고 있다. 빌딩에서 HVAC (Heating, Ventilation, and Air conditioning)은 필요 열량에 따라 냉각 유량을 자유롭게 제어할 수 없기 때문에 에너지가 효율적으로 사용되지 않고 있다. 따라서 에너지 절감 밸브를 사용함으로써 유량을 필요한 열량만큼 제어하여 에너지를 절감할 수 있다. 본 논문에서는 에너지 절감 밸브를 개발하기 위한 기본적인 상태를 정의하고 저전력, 고 가성비의 PIC 프로세서 기반의 빌딩 에너지 절감 밸브용 제어 및 감시 보드를 개발한다. 설계된 보드는 온도차 측정을 위한 2개의 온도 값과 유량 값 및 계산된 열량에 관한 정보를 실시간으로 디스플레이 및 전송한다. 개발된 제어 감시 보드는 향후 밸브의 상태를 실시간으로 파악하거나 해상용 밸브 등을 개발하는 데 유용하게 사용될 것이다.
건물에 의한 에너지 소비량은 미국 및 일본 등 선진국에서는 전체 국가 에너지 소비량의 40%에 육박하고 있으며, 우리나라에서도 전체 에너지 소비량의 24%를 차지하고 있는 것으로 보고되고 있다. 빌딩에서 HVAC (Heating, Ventilation, and Air conditioning)은 필요 열량에 따라 냉각 유량을 자유롭게 제어할 수 없기 때문에 에너지가 효율적으로 사용되지 않고 있다. 따라서 에너지 절감 밸브를 사용함으로써 유량을 필요한 열량만큼 제어하여 에너지를 절감할 수 있다. 본 논문에서는 에너지 절감 밸브를 개발하기 위한 기본적인 상태를 정의하고 저전력, 고 가성비의 PIC 프로세서 기반의 빌딩 에너지 절감 밸브용 제어 및 감시 보드를 개발한다. 설계된 보드는 온도차 측정을 위한 2개의 온도 값과 유량 값 및 계산된 열량에 관한 정보를 실시간으로 디스플레이 및 전송한다. 개발된 제어 감시 보드는 향후 밸브의 상태를 실시간으로 파악하거나 해상용 밸브 등을 개발하는 데 유용하게 사용될 것이다.
Energy consumption in buildings is close to 40% of the total national energy consumption in developed countries such as US and Japan, and Korea accounts for 24% of total energy consumption. In buildings, HVAC can't freely control the cooling flow rate according to the required calorie, so energy is ...
Energy consumption in buildings is close to 40% of the total national energy consumption in developed countries such as US and Japan, and Korea accounts for 24% of total energy consumption. In buildings, HVAC can't freely control the cooling flow rate according to the required calorie, so energy is not used efficiently. Therefore, by using the energy saving valve, the flow rate can be controlled by the required amount of heat and the energy can be saved. In this paper, we define basic conditions and develop control and monitoring boards for building energy saving valves based on PIC processor with low power and high cost-effectiveness. The designed board displays and transmits in real time information about two temperature values, flow values and calculated calories for temperature difference measurement. The developed board will be useful for real - time monitoring of the state of the valve in the future and development of the valve for the offshore.
Energy consumption in buildings is close to 40% of the total national energy consumption in developed countries such as US and Japan, and Korea accounts for 24% of total energy consumption. In buildings, HVAC can't freely control the cooling flow rate according to the required calorie, so energy is not used efficiently. Therefore, by using the energy saving valve, the flow rate can be controlled by the required amount of heat and the energy can be saved. In this paper, we define basic conditions and develop control and monitoring boards for building energy saving valves based on PIC processor with low power and high cost-effectiveness. The designed board displays and transmits in real time information about two temperature values, flow values and calculated calories for temperature difference measurement. The developed board will be useful for real - time monitoring of the state of the valve in the future and development of the valve for the offshore.
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문제 정의
본 논문에서는 기존 BAS 분야의 에너지관리 기술 중 하나로 저전력, 고 가성비의 PIC 프로세서 기반의 빌딩에너지 절감 밸브용 제어 및 감시 보드를 개발한다. 설계된 보드는 온도차 측정을 위한 2개의 온도 값과 현재 유량 값 및 계산된 열량에 관한 정보를 실시간으로 디스플레이 및 전송하고 사용자가 입력한 밸브 제어 신호에 따라 밸브의 개도를 제어할 수 있도록 하는 통신 시스템을 포함한다.
본 논문에서는 에너지 절감 밸브를 개발하기 위한 기본적인 상태를 정의하고, 제어 및 감시 보드를 제작하여 테스트를 진행하였다. 이러한 기능을 위해 PIC18F4585 프로세서 기반으로 하드웨어를 설계하고 제어 및 감시 기능을 실험하였다.
제어 감시 보드는 RS-232 통신을 통하여 통신 인터페이스 보드와 데이터를 주고받는다. 본 실험에서는 통신 인터페이스 보드에서 데이터를 송부 시 제어 감시 보드에서 데이터가 문제없이 들어가는지를 확인하고자 하였다. 이를 위하여 제어 감시 보드에서 MAX323소자를 사용하여 RS-232 레벨로 변환 후 USB to serial cable을 사용하여 통신 인터페이스 보드를 대체하여 그림 10과 같은 PC의 통신 프로그램과 통신을 실험하였다[5].
에너지 절감 밸브는 빌딩의 HVAC 등 열 교환이 이루어지는 시스템에서 밸브의 개도를 제어함으로서 소비되는 전력을 절감하는 것을 목표로 한다[4]. 특히 에너지를 절감함에 있어 시스템의 성능에 영향을 주지 않고 에너지를 절감할 수 있도록 개발되어야 한다.
제안 방법
온도 센서 2개의 SPI 통신을 위해 중간 보드를 사용하여 브레드보드에 실험을 진행하였다. Max31865를 사용함에 있어 온도 측정값이 ADC 값으로 16bits로 표시되므로 Low byte 레지스터와 High byte 레지스터를 취합하고 저항 값으로 변환 후 Callendar-Van Dusen 식을 간략화 하여 저항 값을 온도로 변환하였다. 그림 4는 측정된 ADC 값의 온도 변환 코드를 나타낸다
2V 정도로 0~5V 출력을 내줄 수 없다. 따라서 전원에 5V 보다 높은 전압이 입력되어야 하고 보드가 커지는 단점이 있기 때문에 본 논문에서는 250Ω의 가변저항을 통해 4-20mA 전류 신호를 1-5V 전압 신호로 변경하였다. 그림 7에는 측정 ADC 값을 유량 신호로 변환하는 코드를 나타내었다.
에너지 절감 밸브는 밸브 설치 위치상 사용자의 관리 및 검사가 어렵다. 또한 ICT의 트렌트에 상응하기 위해 로컬에서 제어하는 대신 웹페이지를 통해 데이터 모니터링 및 사용자 입력이 가능하도록 구현한다. 에너지 절감 밸브는 GUI 화면을 통하여 사용자의 입력에 따라 결정되며 원격으로 밸브 상태를 실시간으로 확인하여 고장 및 오동작 확인 가능하도록 구성한다.
본 시스템에서는 정밀한 온도 측정을 위해 PT1000 센서 값을 사용한다. 또한 Max31865 칩을 사용하여 측정된 온도 값을 SPI 통신을 통해 MCU에서 수신받을 수 있도록 구성하였다. 온도 센서 2개의 SPI 통신을 위해 중간 보드를 사용하여 브레드보드에 실험을 진행하였다.
이러한 기능을 위해 PIC18F4585 프로세서 기반으로 하드웨어를 설계하고 제어 및 감시 기능을 실험하였다. 또한 UART 통신 포트를 사용하여 데이터 전송 기능을 테스트하고 개발된 제어 및 감시 보드의 성능을 확인하였다. 개발된 모니터링 프로그램은 웹페이지 적용 시 사용될 수 있다.
밸브는 0~10V의 전압 신호를 통해 제어되며, 제어 속도는 밸브 조정기 모터의 사양에 따라 결정된다. 밸브 제어 실험은 가변저항으로 전압입력을 받아 0~10V를 출력을 내보낼 수 있는지를 확인하였다. 표 3은 밸브 제어 실험에 사용된 부품들 나타내며 그림 9는 밸브 제어 실험 사진이다.
본 장에서는 밸브의 기능을 구현하기 위해 개별적으로 온도, 유량, 밸브 제어 부분에 대한 PIC 회로도 및 코드 작성을 통해 실험을 진행하였다.
또한 Max31865 칩을 사용하여 측정된 온도 값을 SPI 통신을 통해 MCU에서 수신받을 수 있도록 구성하였다. 온도 센서 2개의 SPI 통신을 위해 중간 보드를 사용하여 브레드보드에 실험을 진행하였다. Max31865를 사용함에 있어 온도 측정값이 ADC 값으로 16bits로 표시되므로 Low byte 레지스터와 High byte 레지스터를 취합하고 저항 값으로 변환 후 Callendar-Van Dusen 식을 간략화 하여 저항 값을 온도로 변환하였다.
본 논문에서는 에너지 절감 밸브를 개발하기 위한 기본적인 상태를 정의하고, 제어 및 감시 보드를 제작하여 테스트를 진행하였다. 이러한 기능을 위해 PIC18F4585 프로세서 기반으로 하드웨어를 설계하고 제어 및 감시 기능을 실험하였다. 또한 UART 통신 포트를 사용하여 데이터 전송 기능을 테스트하고 개발된 제어 및 감시 보드의 성능을 확인하였다.
본 실험에서는 통신 인터페이스 보드에서 데이터를 송부 시 제어 감시 보드에서 데이터가 문제없이 들어가는지를 확인하고자 하였다. 이를 위하여 제어 감시 보드에서 MAX323소자를 사용하여 RS-232 레벨로 변환 후 USB to serial cable을 사용하여 통신 인터페이스 보드를 대체하여 그림 10과 같은 PC의 통신 프로그램과 통신을 실험하였다[5].
제어 및 감시 보드를 개발하기 위해 CSI사의 CsiEDA 5 Winschematic 프로그램을 사용하여 부품 선정 및 아트웍을 진행하였다. 회로도에서 각 부분은 메인회로, ICSP 핀, 5V 전원회로, 3.
대상 데이터
개발된 제어 및 감시 보드를 테스트하기 위해 LabVIEW를 이용한 GUI(Graphical User Interface)기반의 화면 인터페이스를 구성하였다. 그림 14는 모니터링시스템의 사용자 제어 화면을 나타낸 것이다.
제어 감시 보드는 RS-232 통신을 통하여 통신 인터페이스 보드와 데이터를 주고받는다. 본 실험에서는 통신 인터페이스 보드에서 데이터를 송부 시 제어 감시 보드에서 데이터가 문제없이 들어가는지를 확인하고자 하였다.
성능/효과
데이터 길이가 다를 경우 A10100010000000011940000002299000000B8B22154687645312165가 송부 되었을 때 보낸데이터가 반영되지 않고 이전 값이 출력되었다. 시작 문자 다를시 값 A20100010000000011940000000000000000B8B2를송부하였을 때 출력 값이 변화되지 않는 것을 확인하였다. 시작 문자와 동일한 문자가 있을 경우 테스트를 위해 값 A101000100A100A111940000000000000000B8B2를 송부 시 재시작되는 시작 문자에서 데이터가 끊기지 않고 전체데이터가 들어간다.
열교환기는 입력과 출력의 온도차와 유량에 따라 열 교환량이 달라진다. 열교환기를 사용함에 있어 시스템설계 오류나 열교환기의 노후화 등 따라 열교환기의 입력과 출력의 온도차가 특정 값 미만으로 감소하였을 때, 열교환량을 증가시킬 필요가 없거나, 유량의 증가에 따른 열교환량의 증가율이 작아 사용전력에 비해 미미한 냉각효과를 얻을 수 있다. 따라서 특정 온도차 이상으로 유량을 제어하였을 때, 낭비되는 유량을 감소시켜 에너지를 절감할 수 있다.
올바른 프로토콜인 A10100010000000011940000000000000000B8B2를 전송 시 문제없이 입력되어 표시되는 것을 확인하였다. 데이터 길이가 다를 경우 A10100010000000011940000002299000000B8B22154687645312165가 송부 되었을 때 보낸데이터가 반영되지 않고 이전 값이 출력되었다.
시작 문자와 동일한 문자가 있을 경우 테스트를 위해 값 A101000100A100A111940000000000000000B8B2를 송부 시 재시작되는 시작 문자에서 데이터가 끊기지 않고 전체데이터가 들어간다. 종료 문자와 동일한 문자가 있을 경우 테스트를 위해 A101000100A100A11194000000000B2B2000B8B2를 송부 시 중간에 종료되지 않고 전체데이터가 들어가는 것을 확인할 수 있다. 표5는 각 통신 테스트에 따른 테스트 결과를 나타낸다.
후속연구
개발된 모니터링 프로그램은 웹페이지 적용 시 사용될 수 있다. 개발된 에너지 절감 밸브 제어 감시시스템은 향후 밸브의 상태를 실시간으로 파악하거나 선박 에너지 절감을 위한 해상용 밸브 등을 개발하는 데 유용하게 사용 될 수 있을 것이다[7].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
빌딩에너지관리시스템의 큰 두 가지 흐름은 무엇입니까?
건물 환경에서의 에너지 소비량에 대한 관리는 매우 중요한 이슈로 부각되고 있으며, 건물에서의 에너지관리에 대 한 기능을 제공하는 시스템 기술이 빌딩에너지관리시스템(BEMS: Building energy Management System) 기술이다. 빌딩에너지관리시스템은 기존 BAS (Building Autom ation System) 기술의 에너지관리 기술과 전력/가스/수도 등의 에너지 소비량에 대해 에너지 낭비 요소를 도출해 최적화된 건물 운용 관리 지침을 제공하는기술로 크게 두 가지 흐름으로 정리할 수 있다[3]. 기존 BAS 분야의 에너지관리 기술은 냉난방공조 설비, 조명 설비, 전력 설비 등의 개별 BAS 설비 제어 시 에너지 효율 및 불필요한 에너지 낭비를 줄이는 기능을 추가하는 에너지 절감 및 관리 기술이다.
빌딩에너지관리시스템이란 무엇입니까?
에너지소비자 영역인 건물에 의한 에너지 소비량은 미국 및 일본 등 선진국에서는 전체 국가 에너지 소비량의 40%에 육박 하고 있으며, 우리나라에서도 전체 에너지 소비량의 24%를 차지하고 있는 것으로 보고되고 있다[2]. 건물 환경에서의 에너지 소비량에 대한 관리는 매우 중요한 이슈로 부각되고 있으며, 건물에서의 에너지관리에 대 한 기능을 제공하는 시스템 기술이 빌딩에너지관리시스템(BEMS: Building energy Management System) 기술이다. 빌딩에너지관리시스템은 기존 BAS (Building Autom ation System) 기술의 에너지관리 기술과 전력/가스/수도 등의 에너지 소비량에 대해 에너지 낭비 요소를 도출해 최적화된 건물 운용 관리 지침을 제공하는기술로 크게 두 가지 흐름으로 정리할 수 있다[3].
에너지 절감를 절감함에 있어서 유의사항은 무엇입니까?
에너지 절감 밸브는 빌딩의 HVAC 등 열 교환이 이루어지는 시스템에서 밸브의 개도를 제어함으로서 소비되는 전력을 절감하는 것을 목표로 한다[4]. 특히 에너지를 절감함에 있어 시스템의 성능에 영향을 주지 않고 에너지를 절감할 수 있도록 개발되어야 한다.
참고문헌 (7)
S. J. Oh and S. Y. Yang, "Impact of China's industrial restructuring on domestic manufacturing and implications," KDB Monthly, vol. 1, no. 743, pp. 30-49, Oct. 2017.
J. D. Kelso, Buildings Energy Data Book, Silver string, MD: US Department of Energy, 2012.
C. S. Choi, Y. K. Jeong and I. W. Lee, "Remote Group BEMS Technology Trends," National IT Industry Promotion Agency, Weekly Technology Trend 1538, 2012.
Belimo. Belimo Pressure Independent Control Valve Range - Energy Valve Belimo [Internet]. Available: http://www.belimo.com.cn/pdf/EV_Data book_02_April_2015_low_res.pdf.
J. W. Park, H. C. Won and J. Y. Choi, "Development of Embedded System for Controlling and Monitoring Tanks in Ships," Journal of Advanced Information Technology and Convergence, vol. 9, no. 9, pp. 15-23, Aug. 2011
J. S. Oh, "Movement Monitoring System for Marine Buoy," Journal of Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 18, no. 2, pp. 311-317, Feb. 2014.
J. S. Oh and Y.M. Kang, "Development of a PCS Simulator and Data Storage System for Energy Saving in the Ship," Journal of Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 9, pp. 2189-2196, Sep. 2015.
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