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An experimental study on the optimal control algorithm for central heating system for minimizing energy consumption while maintaining the comfort of indoor thermal en vironment in terms of the environmental variables such as loads and weather. experimental study has been done by one using the protot...

An experimental study on the optimal control algorithm for central heating system for minimizing energy consumption while maintaining the comfort of indoor thermal en vironment in terms of the environmental variables such as loads and weather. experimental study has been done by one using the prototype of central heating system. As a result the optimal control algorithm shows good energy performance in comparison with conventional control one.

An experimental study on the optimal control algorithm for central heating system for minimizing energy consumption while maintaining the comfort of indoor thermal en vironment in terms of the environmental variables such as loads and weather. experimental study has been done by one using the prototype of central heating system. As a result the optimal control algorithm shows good energy performance in comparison with conventional control one.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 따라서 본 논문에서는 실내의 난방부하, 설정온도, 등에 따라서 공급공기온도를 제어하고 동시에 온수공급온도를 제어함으로써 난방에 사용되는 전체에너지를 최소화 할 수 있는 제어 방법을 개발하는 것에 목적이 있다고 하겠다. 이러한 제어기법은 종래의 미리 정해놓은 설정점들과 운전자의 경험에 의존한 운전에 따른 외기온도 즉, 부하변화에 대처하지 못하여 발생하는 과다한 에너지 소비를 막을 수 있을 것이다.
• 본 연구에서는 실제 중앙난방 시스템을 구성하여 최적제어 알고리즘을 적용하여 실험을 통하여 구성기기들의 동작특성 및 에너지 변화특성을 관찰하기 위한 연구이다.
• 본 연구에서는 총 에너지 소비를 최소화 할 수 있는 최적제어 알고리즘이 적용된 중앙난방 시스템의 실제 모형실험 장치를 구성하여 동계 난방기간 동안에 실험을 통하여 알고리즘의 적용 가능여부와 타당성을 검증하는 것이 목적이다. 최적제어 알고리즘을 이용하여 실외의 환경변화에 따라 급기온도와 온수공급온도의 최적 설정값을 실시간으로 계산하며, 온수코일의 온수라인에 설치된 3-Way 밸브를 이용하여 급기온도가 최적설정값에 유지될 수 있도록 제어가 이루어진다.
• 있었다. 이러한 결과를 토대로 본 연구에서는 중앙난방 시스템에서 실시간으로 변화하는 부하변동에 따라 실내 상태를 최적의 상태로 유지 할 수 있는 최적제어 알고리즘을 적용하여 실험 장치를 구성하고 실제 실험을 통하여 최적제어 알고리즘의 실제 구현 및 적용을 보여주고자 한다.

제안 방법

• Boyens 등중앙냉방시스템의 최적화를 위해 Braun 등②이 개발한 최적제어개념을 급기 팬과 가스 난방로로 구성되어 있는 단순한 난방시스템에 적용한 실험을 수행하였다. 최적화 단계로 우선 급기 팬과 가스 난방로의 최적제어를 각각 적용하여 에너지 절감효과를 관찰하였고 두 가지제어를 혼합하여 사용하는 방법을 고안하여 최적의 운전 방법을 제시하였다.
• 2는 실험을 진행하기 위하여 구성요소 들의 상관관계를 나타내고 있다. 공기의 급기온도, 공급되는 온수온도, 실내 온도 등이 센서에 의해 측정되어지고 팬의 동력, 펌프의 동력, 보일러의 에너지 소모량이 최적제어 프로그램에 입력되어지면 최적제어 알고리즘을 통하여 최적의 설정치를 계산하여 각 구성요소에 출력할 제어신호의 크기를 걸정하여 BACtalk 장치를 이용하여 DDC제어기로 전송, 각 기기들을 설정치의 값으로 운전하게 된다. 이러한 과정을 실시간으로 반복하여 부하변동에 대처하면서 실내의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 해준다.
• 이루어 져야 한다. 따라서 본 연구에서는 그래픽 프로그램 언어인 MS Visual Logic을 이용하여 제어 알고리즘 프로그램을 구성하였고 BACtalk for Windows S/W를 이용하여 실제실험 장치들의 모습과 상태를 컴퓨터의 Windows 화면상에 디스플레이 할 수 있게 하였다.
• 최적제어 알고리즘을 이용하여 실외의 환경변화에 따라 급기온도와 온수공급온도의 최적 설정값을 실시간으로 계산하며, 온수코일의 온수라인에 설치된 3-Way 밸브를 이용하여 급기온도가 최적설정값에 유지될 수 있도록 제어가 이루어진다. 또한 보일러는 On-Off 제어를 통해서 계산된 온수공급온도가 최적 설정값을 유지하도록 피드백 제어가 이루어지도록 하였다.
• 또한, 룸A와 룸B에 공급되는 공기의 풍량을 적절히 유지하기 위하여 인버터를 이용한 급기의 정압제어가 이루어지고 룸A와 룸B의 실내공기온도는 급기댐퍼의 개도제어를 통해 이루어지도록 하였다. 이러한 시스템을 통하여 외기부하 변화에 따른 급기온도와 보일러의 공급온수온도의 설정값들의 변화에 대해 실내공기온도의 응답특성 및 에너지 소비량의 변화특성, 풍량의 변화특성 등을 비교 고찰 하였다.
• 대해 간단히 기술하면 다음과 같다. 먼저 보일러, 온수 펌프 및 급기 팬 둥에서 소모되는 에너지를 총에너지 소모량으로 고려하였다. 따라서 총 에너지 소모량을 수식으로 나타내면 다음과 같이 표현할 수 있다
• 본 연구에서는 중앙난방 시스템에서 총 에너지 소비 절감을 위 한 최 적제어 알고리즘을 앞에서 제시하였고 제안된 알고리즘을 이용하여 중앙난방시스템에 적용하기 위해서는 최적제어 알고리즘의 프로그램화가 이루어 져야 한다. 따라서 본 연구에서는 그래픽 프로그램 언어인 MS Visual Logic을 이용하여 제어 알고리즘 프로그램을 구성하였고 BACtalk for Windows S/W를 이용하여 실제실험 장치들의 모습과 상태를 컴퓨터의 Windows 화면상에 디스플레이 할 수 있게 하였다.
• 이러한 시스템을 통하여 외기부하 변화에 따른 급기온도와 보일러의 공급온수온도의 설정값들의 변화에 대해 실내공기온도의 응답특성 및 에너지 소비량의 변화특성, 풍량의 변화특성 등을 비교 고찰 하였다.
• 이번 실험을 통하여 시스템 제어변수에 따른 시스템 응답특성 및 에너지 소비량특성을 비교 고찰 하였으며 이러한 연구결과로 다음과 같은 결론을 얻게 되었다
• Boyens 등중앙냉방시스템의 최적화를 위해 Braun 등②이 개발한 최적제어개념을 급기 팬과 가스 난방로로 구성되어 있는 단순한 난방시스템에 적용한 실험을 수행하였다. 최적화 단계로 우선 급기 팬과 가스 난방로의 최적제어를 각각 적용하여 에너지 절감효과를 관찰하였고 두 가지제어를 혼합하여 사용하는 방법을 고안하여 최적의 운전 방법을 제시하였다. 그러나 최적 설정치를 구하기 위해서는 환경 및 제어변수의 변화에 대한 에너지 소모량을 표현하는 2차함수의 계수를 실험 또는 통계적인 처리방법을 통해 구해야 하기 때문에 실시간 제어에 적용하기가 어렵다.

대상 데이터

• 먼저 사진 1은 실제 최적제어 알고리즘 적용하여 실험하기위한 중앙제어 난방시스템의 상세 사진이다. 중앙에 위치한 모니터링 시스템을 이용하여 시스템 제어 및 상태의 모니터링이 가능하다.
• 사진 2는 실험실내에 위치한 기계실 상세사진이다. 대표적인 장치를 설명하면 먼저 ①번은 이번 실험에 사용된 (주)센츄리의 최대풍량 20CMM의 난방능력 lOOOOKcal/h 의 AHU(공조기)의 상세사진이다.

성능/효과

• 1) 총 에너지의 소비량은 외기온도가 낮아질수록, 부하가 커질수록 선형적으로 증가하게 된다. 이러한 선형적인 증가는 상대적으로 외기온도 또는 부하에 직접적으로 영향을 받는 보일러의 에너지 변화율에 총 에너지가 더욱 많은 영향을 받는다는 것으로 나타낸다.
• 2) 실험을 통한 연구 결과로서 외기온도가 변화됨에 따라 공급 온수온도의 설정치는 55~78℃로변화하였다 급기온도 설정은 30~35℃에 비하여 상대적으로 큰 값이 변화되었음을 알 수 있다. 이는 실내로 공급되는 급기온도를 급격히 변화시키는 것보다 급기온도를 완만하게 변화시키면서 온수온도 설정치의 변화로 부하를 추종하여 나가는 것이 에너지 절약에 있어 효율적이라는 것을 보여주고 있다.
• 3) 실험적 연구 결과로서 동일한 외기 운전조건에서 팬과 보일러의 에너지의 소모량의 크기가 종래의 난방방식과 비교하여 평균 8% 감소되었고 부하가 큰 경우 최대 11% 까지 에너지 절약이 가능함을 알 수 있다.
• 이것은 외기의 변화에 따라 보일러온수온도의 값이 적절히 변화됨을 나타내고 있는 것으로서 급기온도의 변화에 비해 보일러 온수온도의 변화가 외기온도변화에 더욱 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 또한 실제 보일러 온수온도는 최적 설정치를 잘 추종하고 있음을 알 수 있다.
• 이는 실내로 공급되는 급기온도를 급격히 변화시키는 것보다 급기온도를 완만하게 변화시키면서 온수온도 설정치의 변화로 부하를 추종하여 나가는 것이 에너지 절약에 있어 효율적이라는 것을 보여주고 있다.
• 이러한 선형적인 증가는 상대적으로 외기온도 또는 부하에 직접적으로 영향을 받는 보일러의 에너지 변화율에 총 에너지가 더욱 많은 영향을 받는다는 것으로 나타낸다. 이를 통해 보일러의 온수온도 제어가 총에너지의 감소에 커다란 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
• 공조기의 운전상태와 급기, 환기, 혼합온도와 급배기 팬 속도, 최소 댐퍼 개도의 설정, 정압크기의 설정급배기 전력 소모량 둥을 나타내주고 있다. 제안된 최적제어 알고리즘이 프로그램 내에서 타당한 값을 나타내는지를 실시간으로 감시 할 수 있고 또한 계산식에 의해서 을바른 근의 값이 나오는지 여부를 알기위해 근의 값도 나타내 주었다.

후속연구

• 이러한 제어기법은 종래의 미리 정해놓은 설정점들과 운전자의 경험에 의존한 운전에 따른 외기온도 즉, 부하변화에 대처하지 못하여 발생하는 과다한 에너지 소비를 막을 수 있을 것이다. 또한 현재의 난방 시스템에서 프로그램의 구성을 통하여 제안된 알고리즘을 적용 가능하리라고 판단된다.

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이 논문을 인용한 문헌

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