[논문]냉방시스템의 운전조건에 따른 에너지 소비특성 연구

박기태; 안병천

doi:10.17664/ksgee.2019.15.4.039

냉방시스템의 운전조건에 따른 에너지 소비특성 연구
The Characteristics of Energy Consumption with Operational Conditions for the Central Cooling System 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.15 no.4, 2019년, pp.39 - 45

박기태 (한국환경설계) , 안병천 (가천대학교 기계공학과)

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The operational conditions such as cooling tower water pump flow rate, cooling tower fan flow rate, and chiller capacity in heat source equipment, and supply air temperature and chilled water temperature in air conditioner are considered to study the effects on energy consumption for central cooling system by using TRNSYS program. As a result, the optimal values of supply air temperature and chilled water temperature for minimal total energy consumption are 12℃ and 8℃. And if maximum values of cooling tower water pump and fan flow rate is decreased from 100% to 40%, energy consumptions are increased 170MJ/day and 63.2MJ/day, respectively.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of a central cooling system.
그림 Fig. 2. TRNSYS program for central cooling control system.
표 Table 1. Parameters for simulation model
표 Table 2. Conditions for simulation
그림 Fig. 3. Total and component energy consumption with supply air temperature and cooling tower fan flow rate changes.
그림 Fig. 4. Total and component energy consumption with supply air temperature and cooling tower pump flow rate changes.
그림 Fig. 5. Total and component energy consumption with chilled water temperature and cooling tower fan flow rate changes.
그림 Fig. 6. Total and component energy consumption with chilled water temperature and cooling tower pump flow rate changes.
그림 Fig. 7. Total and component energy consumption with chiller capacity and cooling tower fan flow rate changes.
그림 Fig. 8. Total and component energy consumption with chiller capacity and cooling tower pump flow rate changes.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 건물 에너지해석용 TRNSYS 프로그램을 활용하여 중앙냉방 시스템의 열원기기들의 운전변수로서 냉각수의 펌프 유량, 냉각탑 팬의 풍량, 그리고 냉동기의 용량들과 급기온도 및 냉수온도 등의 공기조화기의 운전변수들과의 상호관계가 전체 및 구성요소기기들의 에너지 소비량에 미치는 영향을 고찰하였다.
본 연구는 중앙냉방 시스템의 열원기기들의 운전변수들과 공기조화기의 운전변수들과의 상호관계에 따른 에너지 소비량의 변화특성들을 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이러한 연구들은 건물의 중앙냉방 시스템에 있어서 운전제어변수인 냉각수온도 및 냉수온도, 급기온도, 그리고 실내공기온도들의 설정온도의 크기들을 외기온도 등의 환경변수의 크기에 따라 최적화 하여 운전할 경우 에너지 소비량을 줄일 수 있음을 보여주고자 하였다.

제안 방법

그리고 위의 운전조건에 대해 Table 1에서 제시하고 있는 냉각탑의 냉각수 순환펌프의 최대유량과 냉각탑 팬 최대풍량을 40~100%로 감소시켜 주었으며, 냉동기의 용량은 70~100% 범위내에서 감소시켜 주었을 때의 에너지 소비특성에 대해 비교 고찰하였다.
냉각수 설정온도의 경우는 30℃로 고정시켜 주었으며, 급기설정온도는 9~15℃로, 냉수설정온도는 5~9℃로 각각 범위를 설정하여 설정온도크기가 다른 경우에 대한 에너지 소비특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 중앙냉방 시스템의 에너지 해석을 위해서 TRNSYS 프로그램 패키지[6]를 사용하여 시스템을 구성하였으며, 이 프로그램은 앞서 설명한 중앙냉방시스템의 각각의 구성요소들이 모듈(Module)화되어 있어서 전체 프로그램의 작성이 용이하다. 각 구성요소들의 제어를 위한 프로그램을 작성한 후 모듈화하여 추가해 줌으로써 전체 중앙냉방 시스템의 해석용 프로그램을 구성하게 된다.
시뮬레이션에 적용된 환경조건은 일반적인 여름철의 건구온도 및 습구온도의 한 예로 30℃와 20℃로 각각 설정하여 주었다.

성능/효과

(1) 급기설정온도가 높아질수록 전체 에너지 사용량이 감소하다가 약 12℃에서 최소가 된 후 다시 증가하는 특성을 나타내었으며, 이러한 경향은 냉각탑 팬의 풍량을 다르게 하였을 경우에도 동일한 특성이 나타남을 알 수 있었다. 그리고 요소기기들의 에너지 소비량에 있어서는 급기팬의 경우 급기설정온도를 9℃에서 15℃까지 증가시킬수록 에너지 사용량이 약 175% 정도로 늘어났으며, 냉수펌프의 경우는 오히려 에너지가 약 96% 정도 크게 감소하는 특성이 나타나는 것을 알 수 있었다.
(2) 냉수온도가 높아질수록 전체 에너지 소비량이 감소하다가 약 8℃에서 최소가 된 후 다시 증가하는 특성을 보였으며, 냉수온도를 증가시킬 경우 냉동기의 에너지 소비량은 줄어들고, 냉수펌프의 에너지 소비량은 증가하였고, 급기 팬과 냉각탑 팬의 에너지 소비량은 일정한 값을 유지하는 것으로 나타났다.
(3) 냉각탑 팬의 최대풍량을 100%에서 40%로 조절하였을 경우 에너지 소비량이 24.5 MJ/day에서 194.5 MJ/day로 크게 증가되었으며, 냉각수 펌프 유량을 100%에서 40%로 조절하였을 때 냉동기의 에너지 사용량이 약 63.2 MJ/day 정도 증가하는 것으로 나타났다.
(4) 냉동기의 용량을 줄일수록 냉동기의 에너지 소비량이 증가하고 냉각탑 팬의 에너지소비량은 줄어들지만 냉동기의 용량이 90% 이하의 크기에서는 변화없이 일정한 값을 유지하는 반면, 급기 팬과 냉수 펌프는 냉동기의 용량을 줄일 경우 시스템 전체 에너지 소비량이 증가하는 특성을 나타내었다.
3의 냉각탑의 팬 풍량을 변화시켰을 경우와 에너지 소모특성은 비슷한 특성이 나타나는 것을 볼 수 있다. 그러나 냉동기의 에너지 소비량에서는 뚜렷하게 차이가 나는 것을 볼 수 있는데 펌프의 유량이 100% 유량에서 40%로 줄어들 경우 냉동기의 에너지 소비가 약 15% 증가하였으며, 이로 인해 전체 에너지 소비량도 유사한 특성을 보이고 있음을 알 수 있었다. 이와는 다르게 냉각탑 팬의 경우 냉각수 순환펌프의 유량을 60~100%로 설정하였을 때 시스템 전체 에너지 소비량의 차이가 82.
그리고 Fig. 3에서는 냉각탑 팬의 최대풍량을 조절했을 때의 에너지 소비량 특성도 알 수 있는데, 그림을 살펴보면 냉각탑 팬의 최대풍량을 감소시킬 경우 전체 에너지 소비량이 증가하는 특성을 나타내었으며, 특히 냉각탑 팬의 최대풍량을 40% 이상 줄일 경우 시스템 전체 에너지 사용량의 증가폭이 더욱 커짐을 알 수 있다. 냉각탑 팬에 있어서도 최대풍량이 작을수록 에너지 소비량의 증가폭이 커지며, 전체 에너지 소비량에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
7과 유사하며, 단지 냉각탑 펌프의 최대유량의 크기를 달리하였을 경우는 다르게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 그리고 냉각수 펌프의 최대유량을 40~100%로 변화시켜 주었을 때 최대유량의 크기가 작을수록 전체 에너지와 냉동기 에너지 소비량 증가 특성을 나타내었으며, 냉각탑 팬의 경우는 냉각탑 펌프의 최대유량의 변화에 대해 영향을 받지 않는 것으로 보여졌다. 또한 급기팬과 냉수펌프, 그리고 냉각탑 펌프의 에너지 소비량도 Fig.
그리고 냉각탑 팬의 최대풍량을 60~100% 정도의 범위 내에서 조절하였을 경우 에너지 소비량의 차이가 85.3 MJ/day에서 24.5 MJ/day정도의 크기변화가 발생하였으나 40%로 설정했을 때 에너지 사용량이 194.5 MJ/day로 급격히 증가하는 것을 알 수 있으며, 냉동기 등 다른 기기들에 대한 에너지 소비량은 냉각탑 팬 풍량의 크기에 의한 영향은 받지 않았다.
이러한 경향은 팬의 풍량을 다르게 하였을 경우에도 비슷한 특성이 나타남을 알 수 있었다. 그리고 요소기기들의 에너지 소비량에 있어서는 급기팬의 경우 급기설정온도를 9℃에서 15℃까지 증가시킬수록 에너지 사용량이 약 175% 정도로 늘어나는 것을 볼 수 있으며, 냉수펌프의 경우는 오히려 에너지가 약 96% 만큼 감소하는 특성이 나타나는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 급기팬과 냉수펌프는 급기설정온도의 변화에 따른 영향이 큼을 알 수 있었다.
(1) 급기설정온도가 높아질수록 전체 에너지 사용량이 감소하다가 약 12℃에서 최소가 된 후 다시 증가하는 특성을 나타내었으며, 이러한 경향은 냉각탑 팬의 풍량을 다르게 하였을 경우에도 동일한 특성이 나타남을 알 수 있었다. 그리고 요소기기들의 에너지 소비량에 있어서는 급기팬의 경우 급기설정온도를 9℃에서 15℃까지 증가시킬수록 에너지 사용량이 약 175% 정도로 늘어났으며, 냉수펌프의 경우는 오히려 에너지가 약 96% 정도 크게 감소하는 특성이 나타나는 것을 알 수 있었다. 그리고 냉동기와 냉각수 펌프의 에너지소비량은 크게 영향을 받지 않았다.
냉수온도를 증가시킬 경우 냉동기의 에너지 소비량은 줄어들고 있으며, 반면에 냉수펌프의 에너지 소비량은 늘어났다. 급기 팬과 냉각탑 팬의 에너지 소비량은 일정한 값을 유지하는 것으로 나타났다.
특히 냉동기의 용량을 100%에서 90%로 줄였을 경우 에너지 소비량이 급격히 증가하지만 90% 아래 조건에서는 운영하였을 경우에는 큰 차이가 나타나지 않았다. 급기 팬과 냉수 펌프의 에너지 소비량은 냉동기의 용량이 작아질수록 증가하는 추세를 보이지만 냉각탑 팬의 에너지 소비특성에 있어서는 냉동기의 용량을 100%에서 90%로 줄였을 경우는 에너지 소비량이 줄어드는 경향을 나타내다가 90% 이하에서는 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있었다.
3에서는 냉각탑 팬의 최대풍량을 조절했을 때의 에너지 소비량 특성도 알 수 있는데, 그림을 살펴보면 냉각탑 팬의 최대풍량을 감소시킬 경우 전체 에너지 소비량이 증가하는 특성을 나타내었으며, 특히 냉각탑 팬의 최대풍량을 40% 이상 줄일 경우 시스템 전체 에너지 사용량의 증가폭이 더욱 커짐을 알 수 있다. 냉각탑 팬에 있어서도 최대풍량이 작을수록 에너지 소비량의 증가폭이 커지며, 전체 에너지 소비량에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 냉동기 역시 냉각탑 팬의 풍량이 100%에서 40%로 감소함에 따라 에너지 사용량이 약 1.
냉각탑 팬에 있어서도 최대풍량이 작을수록 에너지 소비량의 증가폭이 커지며, 전체 에너지 소비량에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 냉동기 역시 냉각탑 팬의 풍량이 100%에서 40%로 감소함에 따라 에너지 사용량이 약 1.8% 정도 증가하고 있으며, 급기팬과 냉수펌프는 냉각탑의 팬 풍량 증가에 따라 영향을 받지 않고 거의 일정하게 에너지를 소모하는 특성을 나타내었다.
5에서 볼 수 있듯이 냉수온도가 높아질수록 전체 에너지 소비량이 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보이고 있으며, 약 8℃에서 에너지 소비량이 최소가 됨을 볼 수 있었다. 냉수온도를 증가시킬 경우 냉동기의 에너지 소비량은 줄어들고 있으며, 반면에 냉수펌프의 에너지 소비량은 늘어났다. 급기 팬과 냉각탑 팬의 에너지 소비량은 일정한 값을 유지하는 것으로 나타났다.
그리고 냉각수 펌프의 최대유량을 40~100%로 변화시켜 주었을 때 최대유량의 크기가 작을수록 전체 에너지와 냉동기 에너지 소비량 증가 특성을 나타내었으며, 냉각탑 팬의 경우는 냉각탑 펌프의 최대유량의 변화에 대해 영향을 받지 않는 것으로 보여졌다. 또한 급기팬과 냉수펌프, 그리고 냉각탑 펌프의 에너지 소비량도 Fig. 7과 마찬가지로 냉각탑 풍량의 크기 변화에도 일정값이 유지됨을 알 수 있었다.
또한 냉각수 펌프의 고정된 최대유량과 정속운전에 따라 에너지 사용량은 고정되어 있고, 냉동기와 냉각탑 팬의 경우 에너지 소모량의 큰 차이가 없어 급기온도 변화에 따른 영향을 크게 받지 않는다는 것을 알 수 있었다.
먼저 Fig. 5에서 볼 수 있듯이 냉수온도가 높아질수록 전체 에너지 소비량이 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보이고 있으며, 약 8℃에서 에너지 소비량이 최소가 됨을 볼 수 있었다. 냉수온도를 증가시킬 경우 냉동기의 에너지 소비량은 줄어들고 있으며, 반면에 냉수펌프의 에너지 소비량은 늘어났다.
냉각탑 팬의 경우는 팬의 최대풍량을 낮춰 설정하고 운전할수록 에너지 소비량이 증가하였다. 이러한 팬의 최대풍량 변화에 따른 냉각탑 팬의 에너지 소비특성은 전체 에너지 소비량에 영향을 끼치고 있는 것을 알 수 있었다.
이상의 연구결과를 통해서 중앙냉방 시스템의 운전변수인 급기온도와 냉수온도, 냉각탑의 팬의 최대풍량과 냉각수 펌프의 최대유량의 크기 등은 전체 에너지 소비량에 대해 많은 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. 그리고 급기온도와 냉수온도의 경우 전체 에너지 소비량이 최소가 되는 최적값이 존재하였다.
그러나 냉동기의 에너지 소비량에서는 뚜렷하게 차이가 나는 것을 볼 수 있는데 펌프의 유량이 100% 유량에서 40%로 줄어들 경우 냉동기의 에너지 소비가 약 15% 증가하였으며, 이로 인해 전체 에너지 소비량도 유사한 특성을 보이고 있음을 알 수 있었다. 이와는 다르게 냉각탑 팬의 경우 냉각수 순환펌프의 유량을 60~100%로 설정하였을 때 시스템 전체 에너지 소비량의 차이가 82.5 MJ/day에서 23.1 MJ/day정도의 크기변화가 발생하였으나 40%로 설정하였을 때에는 에너지 사용량이 크게 증가하여 197.8 MJ/day 로 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 펌프의 최대유량의 크기선정은 매우 중요하며, 잘못 선정되었을 경우 에너지 소비량을 크게 증가시킬 수 있으므로 설계 혹은 냉각수 유량 제어를 수행할 때 주의를 기울여야 함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물의 중앙냉방 시스템에서 에너지 소비량에 영향을 주는 요인은 무엇이 있는가?	건물의 중앙냉방 시스템에 있어서 에너지 소비량에 영향을 주는 주요 운전변수들로는 냉수, 냉각수 순환유량과 공기조화기와 냉각탑 팬의 공기유량, 이 밖에도 냉수온도, 급기온도, 냉각수온도, 공기조화기 정압 등을 들 수 있다. 그러나 이러한 다양한 운전변수 들의 최적의 설정값 조합을 찾는 다는 것은 시스템 요소들의 상호관계를 고려할 때 결코 쉬운 일이 아니다[1].
	중앙냉방 시스템의 구성은 어떻게 되는가?	일반적으로 건물 에너지시스템인 중앙냉방 시스템은 실내 공기의 온도, 습도, 기류 및 청정도를 조절하여 쾌적한 환경을 유지하도록 공기를 공급하는 공기조화설비와 실내 냉방부하를 고려하여 공기조화기의 냉수코일의 냉수온도를 조절하기 위한 냉동기(chiller), 그리고 냉동기에 공급되는 냉각수를 대기와 접촉시키고 효과적으로 온도를 낮추기 위해 팬을 회전시키는 냉각탑 등으로 구성되어 있다. 이러한 시스템에서의 에너지소비는 냉동기, 급배기 팬, 냉수 순환펌프, 냉각탑 팬과 펌프(냉각수 순환펌프) 등 동력설비에서 주로 이루어진다.

참고문헌 (6)

Braun, J. E., S. A., Klein, W. A., Beckman, and J. W. Mitchell, 1989, Methodologies for optimal control of chilled water systems without storage, ASHRAE Transactions, Vol. 95, No. 1, pp. 652-662.
Ahn, B. C. and Mitchell, J. W., 2001, Optimal control development for chilled water plants using a quadratic representation, Energy and Buildings 33 No. 4, pp. 371-378.

상세보기
Kim, Y. I., 2010, Performance of a water cooled chiller by controlling chilled water exit temperature, Proceedings of the SAREK 2010 Summer Annual Conference, pp. 1136-1141.
Rho, J. D., 2014, Optimization of cooling water system, Proceedings of the SAREK 2014 Summer Annual Conference, pp. 575-581.
Ahn, B. C., 2017, The effect of operational conditions of cooling water system on energy consumption for central cooling system, Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 13, No. 4, pp. 8-13.
TRNSYS, 2007, Transient system simulation program Ver. 16.1, Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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