[논문]공간분활 및 영역열량측정에 의한 공평 자동난방운영시스템 구현

한상철; 류광렬

doi:10.6109/jkiice.2019.23.8.910

공간분활 및 영역열량측정에 의한 공평 자동난방운영시스템 구현
System Implementation for Fair Automatic Heating Operation Based on Spatial Distributing and Zonal Calorie Measuring 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.8, 2019년, pp.910 - 916

한상철 (Department of Electronic Engineering, Mokwon University) , 류광렬 (Department of Electronic Engineering, Mokwon University)

초록
AI-Helper

본 논문은 주거공간영역 별로 사용 난방열량을 측정하고 사용량을 자동으로 측정 분석하여 계량 운영 할 수 있는 공평관리 자동난방운영시스템의 구현이다. 난방공간은 4영역으로 분할하여 하나의 계량기로 유량과 열량이 계측된다. 이 시스템은 열량검출, 온도조절기, 밸브제어기, PC컨버터와 모니터링으로 구성된다. 난방 공간영역은 실내온도에 따라 열량 계산에 필요한 환수 온도가 측정되고 영역별 열량이 산출된다. 실험결과, 측정기기로 계측한 값과 비교하여 측정열량 값의 오차 범위는 1% 내이다. 기존의 유량계를 이용한 난방 분할 방식과 비교하면 난방 에너지 사용 비용이 약 7% 저감된다. 이 공평시스템은 향후에는 BEMS와 공동으로 연계하는 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the system implementation of the heating operation based on spatial distributing and zonal calorie measuring and analyzing of houses to calculate the fair amount of the heating meterage automatically. The heating space is distributed into 4 zones, which the flow rate and calories are checked by one meter respectively. The system is composed of a heating sources, adjuster of thermostat, valve controller, PC converter and total monitering. The returning temperature in the spatial zones is measured for the heating calorie to calculate the zonal calories according to the rooms temperature. The proposed system results in error by 1% or less in comparing with the dedicated experimental equipment, and reduces energy cost by 7% from conventional system. The fair checking system will be enhanced with building energy management system in the future.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1 system blocks
그림 Fig. 2 Temperature controller blocks
그림 Fig. 3 Valve controller blocks
그림 Fig. 4 PC controller blocks
그림 Fig. 5 PC controller flow
표 Table. 1 Flow rate of heating zones
표 Table. 2 System comparisons

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하나의 열원을 사용하는 난방공간분할 및 영역별 열량측정에 의한 공평관리 자동난방운영시스템이다. 그 목적은 기존 공동주택의 난방사용량 계량 방식보다 적은 시설비용으로 공정성, 정확성과 편의성을 높이는데 있다. 이 시스템은 공동주택의 각 난방영역에 설치되어 있는 계량기 없이 설비 할 수 있다.

가설 설정

값을 1로 계산한다. 전체 유량은 열원에서 발생시키는 유 량으로 난방 가동 시 열원의 용량에 따라 일정한 유량이 출력 되는 것으로 가정하며 유량계에서 측정한 값으로 분당 유량으로 계산한다.

제안 방법

PC컨버터에서는 밸브제어기로부터 공급수와 환수온도의 차를 수신하여 각 난방 영역의 실제 사용열량을 계산하고 실험 장치에서 계측기로 직접 측정하여 출력된 실제 값과 비교한다. 계산에 필요한 각 난방 영역의 ∆t는 밸브제어기에서 계산하는데 공급하는 공급수의 온도가 60℃로 일정하게 측정되었고 이를 측정한 난방 영역의 환수 온도를 공급수 온도에서 차감하여 계산한다. PC컨버터와 통신으로 사용열량을 모니터링 한다.
이 실험장치는 시스템 전체의 유량과 난방영역별로 환수온도 와 실내온도 그리고 누적유량, 누적 열량 등을 측정할 수 있으며, 실험이 종료되면 실험 장치와 연결된 PC에서 시험결과가 출력된다. 고 부하에서 유량조절밸브를 조절하여 실험장치에서 출력한 열량값과 제시한 열량 계산 방법을 비교한다.
따라서 본 연구는 단일 열원을 사용하는 소규모시설에서 각 난방공간별 및 영역별열량 측정하고 사용량을 계량하는 평등한 자동화운영시스템 설계로서, 구현하는 시스템은 밸브제어기와 온도조절기, PC컨버터, 모니터링 프로그램으로 구성한다. 시스템은 PC 및 열원과의 통신을 통해 정보를 전달 제어를 할 수 있으며, 난방 열원의 공급수 주 배관에는 유량계를 설치한 후 최종적으로 PC에서 각 난방 영역에서 사용한 열량과 사용 요금을 표시하며, 각 난방 영역마다 유량계나 열량계가 설치되지 않고도 영역별 사용 열량의 자동 분할이 가능하도록 설계한다.
PC 컨버터의 주요 기능에 대한 흐름도가 그림5와 같이 각 난방영역의 난방제어 및 상태정보를 밸브 제어기로부터 수신 받고 다시 PC로 전송한다. 또한 현재 난방 중인 영역의 데이터를 취합하고 전체 유량을 취득하여 각 영역의 유량을 계산한다.
온도 센서의 A/D 변환 값은 한 번에 취득한 값을 사용하지 않고 100 ms마다 10회를 취득하여 최고값과 최저값을 제외한 평균값으로 변환하는데, 이는 실내 온도의 변화가 급작스럽게 바뀌지 않는 특징이 있고 노이즈에 의한 데이터 변형을 예방한다. 또한, A/D 변환 값이 실제로는 나타날 수 없는 극한 온도(온도 센 서의 개폐)에 대하여는 온도 센서 에러로 처리하며 난방을 차단한다.
버튼과 LCD 표시 부분은 실 사용자가 직접적으로 난방 기능을 설정하거나 현재의 설정 및 상태 값을 표시하는 부분이다. 서미스터의 변화에 따른 A/D(Analog/Digital)변환을 통해 취득한 현재 실내온도와 사용자가 버튼 조작에 의한 설정 실내온도 값을 비교하여 설정 실내온도가 현재 실내온도보다 높을 시 밸브제어기에 난방 가동 신호를 전송하고 설정 실내온도가 현 재 실내온도보다 낮을 시에는 밸브제어기에 난방 정지신호를 전송하여 영역별 난방을 조절한다.
시스템은 PC 및 열원과의 통신을 통해 정보를 전달 제어를 할 수 있으며, 난방 열원의 공급수 주 배관에는 유량계를 설치한 후 최종적으로 PC에서 각 난방 영역에서 사용한 열량과 사용 요금을 표시하며, 각 난방 영역마다 유량계나 열량계가 설치되지 않고도 영역별 사용 열량의 자동 분할이 가능하도록 설계한다. 성능실험은 난방 영역을 난방 코일로 대체하고 실제 난방 환경과 유사한 실험 장치를 구현하여 온도와 유량, 열량을 직접 측정하고 기존방식과 비교한다.
두 번째는 사용자의 버튼 조작을 감시하고 변경된 설정 값과 현재 값을 비교하여 난방을 결정하는 부분이다. 세 번째는 현재 실내온도를 확인하는 부분으로 온도센서에서 현재 온도에 따른 온도 센서의 저항 값을 A/D 변환시켜 현재 실내온도 값을 구한다. 이 부분은 수 [ms] 마다 버튼의 입력을 감지하여 여러 번 동일한 입력이 감지되었을 경우에만 버튼이 인식되도록 프로그램 한다.
따라서 본 연구는 단일 열원을 사용하는 소규모시설에서 각 난방공간별 및 영역별열량 측정하고 사용량을 계량하는 평등한 자동화운영시스템 설계로서, 구현하는 시스템은 밸브제어기와 온도조절기, PC컨버터, 모니터링 프로그램으로 구성한다. 시스템은 PC 및 열원과의 통신을 통해 정보를 전달 제어를 할 수 있으며, 난방 열원의 공급수 주 배관에는 유량계를 설치한 후 최종적으로 PC에서 각 난방 영역에서 사용한 열량과 사용 요금을 표시하며, 각 난방 영역마다 유량계나 열량계가 설치되지 않고도 영역별 사용 열량의 자동 분할이 가능하도록 설계한다. 성능실험은 난방 영역을 난방 코일로 대체하고 실제 난방 환경과 유사한 실험 장치를 구현하여 온도와 유량, 열량을 직접 측정하고 기존방식과 비교한다.
실험방법은 공급수 주 배관에 유량계와 공급수 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 PC컨버터에 연결하고, 각 난방 영역에 환수 온도 센서를 밸브제어기에 연결 후 실험 장치에 연결된 각 유량계와 열량계의 값과 본 논문에서 제시한 계산 값이 얼마나 정확한가를 실험한다. 실험 장치는 난방 공간을 4 영역으로 분할하며, 각 난방영역의 코일은 별도의 공간에 구성하고 코일은 수조에 넣어 물을 채워 실제 환경과 유사하게 만들었다. 이 실험장치는 시스템 전체의 유량과 난방영역별로 환수온도 와 실내온도 그리고 누적유량, 누적 열량 등을 측정할 수 있으며, 실험이 종료되면 실험 장치와 연결된 PC에서 시험결과가 출력된다.
실험방법은 공급수 주 배관에 유량계와 공급수 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 PC컨버터에 연결하고, 각 난방 영역에 환수 온도 센서를 밸브제어기에 연결 후 실험 장치에 연결된 각 유량계와 열량계의 값과 본 논문에서 제시한 계산 값이 얼마나 정확한가를 실험한다. 실험 장치는 난방 공간을 4 영역으로 분할하며, 각 난방영역의 코일은 별도의 공간에 구성하고 코일은 수조에 넣어 물을 채워 실제 환경과 유사하게 만들었다.
열량분석은 실험 장치에서 유량 조절밸브를 조절하여 각 코일마다의 유량을 다르게 설정한 후 전체 난방 후 일정시간 실험한다. 구현한 시스템에서도 동일한 조건에서 실험하며, 열량 분석 시스템에서 PC컨버터에서는 열원에서의 전체 유량을 측정하고, 밸브제어기에서는 각 난방영역의 공급수와 환수온도를 획득하여 온도차를 계산하고 전송한다.
위의 방법으로 계산된 각 난방영역의 유량, 밸브제어기에서 측정하여 PC컨버터로 전송하는 공급/회수의 온도차를 이용하여 실제적으로 요금 계산을 할 수 있는 각 난방 영역의 사용 열량을 산출한다. 사용열량은 사용 유량에 ∆t를 취하는 방식이며 난방을 시작시 ∆t가 최고점에 도달한다.
온도조절기의 기능은 3부분으로 구분한다. 첫 번째는 밸브제어기와 통신을 수행하는 부분으로 UART 통신 방식을 적용한다. 통신은 밸브제어기와 일대일 폴링 방식으로 밸브제어기가 통신 송신하면 그에 대한 응답을 수행한다.
온도조절기는 사용자가 버튼 조작을 통해 난방 환경을 조작하는 부분으로 구성도는 그림 2 와 같이 통신 변환 회로는 밸브제어기와 통신을 위해 사용하는 회로, 통 신 이 외에 밸브제어기에서 전원을 공급받기 위해 사용한다. 통신과 전원을 동시에 구현하기 위하여 밸브제어기에서 DC 전원을 공급하고 DC 전원의 전압 레벨에 변 화를 주어 통신한다.

데이터처리

4개의 난방공간영역은 표1과 같이 코일길이가 70m, 110m, 50m, 50m로 구별하며, 코일이 설치된 수조 위에는 난방 영역의 환수온도와 유량 및 열량을 측정할 수 있는 장치들이 설치되어 있으며, 취득한 데이터들은 PC와 연결하여 모니터로 확인이 가능하여 실험 결과 값과 비교한다.

성능/효과

실험 결과 난방환경에 따라 건물의 외측에 위치한 영역은 중간에 위치한 영역보다 약 6%의 열량 손실이 발생하여 난방 열량을 더 소비한 것으로 나타난다. 기존 유량에 의한 요금 부과 방식에 비해 열량을 더 많이 소비한 영역에 요금을 더 부과하는 방식이므로 정확성이 크게 향상된다. 또한 제안한 시스템의 계산 방식을 실험장치에서 열량을 측정한 값과 열량 계산 방식을 비교한 결과 오차가 1% 이하이며, 기존의 유량계를 이용한 난방 분할 방식과 비교하면 실험 환경에서 난방 에너지 사용 비용이 약 7% 절감되고 공평한 요금부과가의 효과가 있다.
기존 유량에 의한 요금 부과 방식에 비해 열량을 더 많이 소비한 영역에 요금을 더 부과하는 방식이므로 정확성이 크게 향상된다. 또한 제안한 시스템의 계산 방식을 실험장치에서 열량을 측정한 값과 열량 계산 방식을 비교한 결과 오차가 1% 이하이며, 기존의 유량계를 이용한 난방 분할 방식과 비교하면 실험 환경에서 난방 에너지 사용 비용이 약 7% 절감되고 공평한 요금부과가의 효과가 있다. 이 결과를 향후에는 BEMS의 전기 및 상수도에 공동으로 연계하는 연구가 필요하다
실험 결과 난방환경에 따라 건물의 외측에 위치한 영역은 중간에 위치한 영역보다 약 6%의 열량 손실이 발생하여 난방 열량을 더 소비한 것으로 나타난다. 기존 유량에 의한 요금 부과 방식에 비해 열량을 더 많이 소비한 영역에 요금을 더 부과하는 방식이므로 정확성이 크게 향상된다.
유량누적과 열량누적 값을 비교한 결과 면적이 큰 영역에서는 상대적으로 유량이 많고 면적이 작은 영역에서는 유량이 작게 나타났으며, 동일 면적에서는 동일한 유량 값이 측정된다. 누적열량을 비교 하면 동일 면적에도 영역3과 4의 열량이 다르다.

후속연구

또한 제안한 시스템의 계산 방식을 실험장치에서 열량을 측정한 값과 열량 계산 방식을 비교한 결과 오차가 1% 이하이며, 기존의 유량계를 이용한 난방 분할 방식과 비교하면 실험 환경에서 난방 에너지 사용 비용이 약 7% 절감되고 공평한 요금부과가의 효과가 있다. 이 결과를 향후에는 BEMS의 전기 및 상수도에 공동으로 연계하는 연구가 필요하다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소규모 주거건물의 난방시스템의 특징은 무엇인가?	건물에너지관리시스템 BEMS (Building Energy Management System)은 ICT기반의 에너지의 효율적 운영관리 및 저감을 위한 광의의 통합시스템인 반면, 소규모 주거건물의 난방시스템은 설비비용의 절약 및 건축물 관리자의 관리적인 측면에서 하나의 중대형 열원을 사용하여 다수의 공간에 분배하는 난방시스템이다. [1-3] 주거 시설은 개별적인 난방 영역을 구성하고 있지만, 각난방 영역별 난방사용량을 분할하기 위해서는 각각 열량계 및 유량계를 설치하여 측정한다.
	유량계 및 열량계를 설치하지 않는 주거 시설에서는 사용량을 어떻게 부과하는가?	[1-3] 주거 시설은 개별적인 난방 영역을 구성하고 있지만, 각난방 영역별 난방사용량을 분할하기 위해서는 각각 열량계 및 유량계를 설치하여 측정한다. 유량계 및 열량계를 설치하지 않는 주거에서는 일괄적으로 난방사용량을 부과한다. 사용 유량으로 난방비를 책정하거나 난방면적에 의해 차등 분할하는 방식은 공평한 분할과 효율적인 에너지 사용이 요원하다.
	건물에너지관리시스템 BEMS란 무엇인가?	건물에너지관리시스템 BEMS (Building Energy Management System)은 ICT기반의 에너지의 효율적 운영관리 및 저감을 위한 광의의 통합시스템인 반면, 소규모 주거건물의 난방시스템은 설비비용의 절약 및 건축물 관리자의 관리적인 측면에서 하나의 중대형 열원을 사용하여 다수의 공간에 분배하는 난방시스템이다. [1-3] 주거 시설은 개별적인 난방 영역을 구성하고 있지만, 각난방 영역별 난방사용량을 분할하기 위해서는 각각 열량계 및 유량계를 설치하여 측정한다.

저자의 다른 논문 :

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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