[논문]HVACS 기반의 에너지 절감 연구

오진석; 김민욱; 이종학; 오지현

doi:10.6109/jkiice.2020.24.7.925

HVACS 기반의 에너지 절감 연구
Energy Saving based on HVACS 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.7, 2020년, pp.925 - 934

오진석 (Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 김민욱 (Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 이종학 (Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 오지현 (Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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본 연구는 선박의 에너지 효율을 향상시키기 위하여 에너지 절감 시스템 (ESS, Energy Saving System)의 알고리즘을 선박운항 특성에 적합하게 설계하고, 특정 시스템을 탑재한 선박의 운항 특성을 바탕으로 에너지 소비 양상을 분석하여 운항 비용을 절감할 수 있도록 하는 기법에 대하여 연구한다. 이를 위해 발전체계를 기반으로 선박의 추진 체계 특성을 반영한 에너지 효율을 높일 수 있는 효율적인 시스템을 구현한다. 연구대상 선박은 LNG 운반선에 탑재된 HVACS(Heating, Ventilation and Air Conditioning) 대상으로 연구를 진행하며, 이를 기반으로 미래형 기반 선박인 전기추진선박 및 자율운항선박 등에 적용할 수 있도록 확장성을 가진 에너지 절감 기법을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the energy efficiency of ships, this study designed an energy saving system (ESS) algorithm suitable for ship operation characteristics, and analyzed energy consumption patterns based on the operation characteristics of ships equipped with specific systems. Therefore, we intend to study techniques that can reduce the cost of operation. To this end, we intend to study to implement an efficient system that can increase energy efficiency that reflects the characteristics of the propulsion system of the ship based on the power generation system. The vessel to be researched is intended to conduct research on HVACS (Heating, Ventilation and Air Conditioning) mounted on LNG carriers, and based on this, it has energy with scalability to be applied to future-based vessels such as electric propulsion ships and autonomous ships. I would like to propose a savings technique.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 HVACS with wind volume control method
그림 Fig. 2 Algorithm composition of HVACS
그림 Fig. 3 VAV unit control diagram
그림 Fig. 4 VAV unit control time chart
그림 Fig. 5 Temperature control algorithm
그림 Fig. 6 HVACS environment model
그림 Fig. 7 Cabin virtual environment model
표 Table. 1 Control method according to environmental and temperature conditions
그림 Fig. 8 HVACS simulation block diagram
그림 Fig. 9 Simulator control system
그림 Fig. 10 Main GUI of Monitoring PC
표 Table. 2 HVACS simulators air consumption
표 Table. 3 Specification of Fan and Inverter
그림 Fig. 11 Change of VAV unit opening rate
그림 Fig. 12 Change of Pressure of Duct
그림 Fig. 13 Cooler control by each algorithm
그림 Fig. 14 Fan RPM Control by each algorithm

AI 본문요약
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문제 정의

각 제어 요소의 정상적인 제어 상태를 확인하고자 제어 실험을 진행하였다. 제어 대상은 VAV unit의 개도, 덕트 내의 압력 및 유량 변화이다.
본 연구대상은 LNG 운반선을 중심으로 이 중 연료 엔진이 탑재되어 운용되고 있으므로, 앞서 연구한 배터리 및 축 발전기의 운용 컨셉과 더불어 추진 체계에서의 에너지 효율을 향상 시킬 수 있는 기반을 구현하고자 한다.
시뮬레이터 설계 및 제작하여 가상의 HVACS 환경에서 알고리즘을 테스트하는 것이다. 가상의 덕트 내에서 일어나는 공기 유량과 온도 변화를 바탕으로 변풍량제어 방식의 HVACS 시뮬레이터를 설계 및 제작하고, 이를 바탕으로 앞서 설계한 제어 다이어그램과 알고리즘을 테스트하고자 한다.

가설 설정

HVACS 에너지 절감 알고리즘 실험에서는 송풍기는 실험하는 8시간 동안 계속 운전하였다고 가정하고, 회전수 제어에 따라 변하는 전력량을 산출하기 위하여 전력량을 보간(fitting)한 후 계산하여 산출하였다. 그 결과송풍기의 전력량 절감은 기존 송풍기가 실험하는 8시간 동안 회전수를 제어하지 않고 정격 운전을 한 경우에 비하여, HVACS 에너지 절감 알고리즘을 적용한 경우 약 27%의 전력을 절감할 수 있는 것으로 계산된다.

제안 방법

그림 9는 시뮬레이터의 제어 계통을 간략하게 나타내고 있다. HVACS 시뮬레이터를 통하여 구현된 물리적 환경으로부터 센서 및 cDAQ 장비가 환경 데이터를 취득하고, 모니터링 PC와의 통신을 바탕으로 앞서 설계된 알고리즘을 수행한다.
알고리즘을 테스트하는 것이다. 가상의 덕트 내에서 일어나는 공기 유량과 온도 변화를 바탕으로 변풍량제어 방식의 HVACS 시뮬레이터를 설계 및 제작하고, 이를 바탕으로 앞서 설계한 제어 다이어그램과 알고리즘을 테스트하고자 한다.
)는 난방 설정 온도를 의미하며, 설정 온도 값에 따라 냉 방 또는 난방의 필요한 조치를 판단하도록 한다. 그 후에 IAT(Inlet Air Temp.)와 RAT(Return Air Temp.)를 비교하여 ID (Inter Damper), RD (Return Damper), ED (Exhaust Damper)를 제어한다. 표 1의 조건 1, 2와 같은 경우는 IAV(Inlet Air Volume)와 MIASV(Mean Inlet Air Set Volume)를 비교하여 댐퍼를 제어하도록 설계한다.
온도 제어 알고리즘을 수행하기 위하여 먼저 냉방 및 난방 온도를 설정한다. 그리고 각 선실의 온도 설정값을 추종하기 위하여 냉방 또는 난방 온도와 선외 공기의 온도 차이를 계산한다. 즉, 희망하는 온도보다 선외 공기의 온도가 높다면 여름철, 혹은 냉방이 필요한 상황으로 볼 수 있다.
그림 1과 같이 본 연구에서 에너지 절감 기법이 적용될 수 있도록 HVACS는 각 선실로 연결되는 덕트 입구에 VAV unit (Variable Air Volume unit)을 설치하였다. 이를 통하여 각 선실에 공급되는 공기 유량을 개별적으로 제어할 수 있도록 함으로써 각 선실의 온도 편차를 줄일 수 있다.
회전수 변화를 나타낸다. 덕트 내 압력을 최소 20Pa 이상 유지하기 위하여 AHU Fan의 최저 회전수를 40% 로 설정하였다. 또한, Return Fan의 회전수는 외부 흡입 공기(Fresh Air)와 순환 공기(Return Air)의 비율을 6:4 로 조정하기 위하여 AHU Fan의 40%로 제어하였다.
본 논문에서는 각 선실에 대한 고려를 통하여 팬의 회전수 제어를 통한 알고리즘을 구축한다. 또한, HVACS를 대상으로 선박의 에너지 소비량을 산출하는 프로그램을 설계함으로써 향후 시스템 설계시 선박의 운항 프로파일과 에너지 효율을 고려하여 선박의 운항 개념을 HVACS 기반의 에너지 절감 기반 위에 정립할 수 있도록 함으로써 새로운 개념의 선박용 에너지 절감 기법을 제안한다.
덕트 내 압력을 최소 20Pa 이상 유지하기 위하여 AHU Fan의 최저 회전수를 40% 로 설정하였다. 또한, Return Fan의 회전수는 외부 흡입 공기(Fresh Air)와 순환 공기(Return Air)의 비율을 6:4 로 조정하기 위하여 AHU Fan의 40%로 제어하였다. 그림 14(a)에는 AHU Fan과 Return Fan의 회전수 변화를 나타내고 있고, 그림 14(b)는 기존 HVACS에서 송풍기의 회전수를 제어하지 않는 경우를 보이고 있다.
이를 통하여 각 선실에 공급되는 공기 유량을 개별적으로 제어할 수 있도록 함으로써 각 선실의 온도 편차를 줄일 수 있다. 또한, VAV unit의 제어가 덕트 내에 작용하는 압력에 변화를 주면 설정값에 따라 송풍기의 회전수를 제어한다. 즉, 덕트 내에 작용하는 압력을 바탕으로 불필요한 공기 유량을 줄임으로써 송풍기에서 소모되는 전력을 절감하는 메커니즘을 갖는다.
그림 2 는 에너지 절감을 위하여 반영하고자 하는 제어 요소들을 나타내고 있다. 먼저 선박의 특성을 반영하기 위하여 승무원들의 직급별 근무 시간을 바탕으로 해당 승무원들의 선실 온도를 제어할 수 있도록 한다. 이를 위하여 거주 구역 내 실제 사용 중인 선실의 개수를 파악하고, 파악된 선실은 직급에 따라 번호를 부여하여 근무 시간을 입력할 수 있도록 하며, 평일과 주말의 근무 시간이다를 경우 두 가지를 구분할 수 있도록 해야 한다.
또한, 리던던시를 고려한 팬의 회전수를 최대한으로 맞춰놓고 있다. 본 논문에서는 각 선실에 대한 고려를 통하여 팬의 회전수 제어를 통한 알고리즘을 구축한다. 또한, HVACS를 대상으로 선박의 에너지 소비량을 산출하는 프로그램을 설계함으로써 향후 시스템 설계시 선박의 운항 프로파일과 에너지 효율을 고려하여 선박의 운항 개념을 HVACS 기반의 에너지 절감 기반 위에 정립할 수 있도록 함으로써 새로운 개념의 선박용 에너지 절감 기법을 제안한다.
앞서 설계한 HVACS의 가상 환경 모델 및 특성 변화를 모사하기 위한 모델링 수식을 아래와 같이 Lab VIEW로 구현하였다. 그림 8은 LabVIEW의 블록다이어그램을 나타낸다.

대상 데이터

소요전력을 산출하는 데는 비교적 큰 비중을 차지하는 냉방 및 난방, 송풍기를 고려 대상으로 선정하였고, HVACS에 구성되는 VAV unit 또한 고려 대상으로 추가하였다. 단, Return Fane 실제로 AHU Fan보다 작게 설계되어야 하는 점이 현실적으로 반영되지 않았기 때문에 Return Fan의 전력량은 고려하지 않았다.
실험을 진행하였다. 제어 대상은 VAV unit의 개도, 덕트 내의 압력 및 유량 변화이다.

이론/모형

그림 8은 LabVIEW의 블록다이어그램을 나타낸다. 이는 HVACS 시뮬레이터 설계 및 제작에 활용하였다. 표 2는 시뮬레이션을 위하여 시뮬레이터에서 필요로 하는 공기의 양을 나타내고 있다.

성능/효과

사용 여부를 나타내고 있다. VAV unit을 이용한 유량 제어 및 송풍기의 회전수 제어를 통하여 냉방기 의사용 빈도를 다소 낮출 수 있는 것을 확인하였다. 그림 13(b)는 기존 HVACS의 냉방기 사용 여부를 나타내고 있다.
보간(fitting)한 후 계산하여 산출하였다. 그 결과송풍기의 전력량 절감은 기존 송풍기가 실험하는 8시간 동안 회전수를 제어하지 않고 정격 운전을 한 경우에 비하여, HVACS 에너지 절감 알고리즘을 적용한 경우 약 27%의 전력을 절감할 수 있는 것으로 계산된다. 이러한 연구 결과는 EMS를 통하여 연동 시스템의 운용상태를 최적으로 제어 관리하면 보다 우수한 에너지 절감 효과를 거둘 수 있을 것으로 사료된다.
각광받고 있다. 전기를 이용한 추진 방식은 기존의 디젤엔진 기반 추진 방식에 비하여 건조 실적 및 역사가 짧지만 추진 체계를 구성할 때 자유도가 높은 점, 기계식 추진 방식보다 유연한 운항이 가능한 점, 기계적 인구 동부가 적어 정비 요소가 적은 점 등 여러 이점을 통하여 점차 실적 선박이 많아질 것으로 전망하고 있다. [11-12].
1% 줄어들게 된다. 즉, 각 선실의 온도와 덕트 내 압력 등을 기준으로 송풍기의 회전수를 10% 낮추어 운용한다면 HVACS는 기존 대비 27.1%의 에너지를 절감할 수 있다.

후속연구

그 결과송풍기의 전력량 절감은 기존 송풍기가 실험하는 8시간 동안 회전수를 제어하지 않고 정격 운전을 한 경우에 비하여, HVACS 에너지 절감 알고리즘을 적용한 경우 약 27%의 전력을 절감할 수 있는 것으로 계산된다. 이러한 연구 결과는 EMS를 통하여 연동 시스템의 운용상태를 최적으로 제어 관리하면 보다 우수한 에너지 절감 효과를 거둘 수 있을 것으로 사료된다.

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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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