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문제 정의
- 본 연구에서는 건물A에 적용된 혼합공조시스템과 일반적인 중앙공조시스템이 적용된 건물B의 공조방식(VAV+Convector)에 대한 모델링을 TRNSYS에 적용해 연간에너지비용을 계산하였다. 그리고 그 결과에 대한 LCC(Life Cycle Cost) 비교를 통해 혼합공조시스템의 경제성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- VAV시스템의 모델링은 냉방조건과 난방조건의 모델링을 나누어 수행하였다. 냉방조건 모델링에는 TRNSYS의 흡수식 냉방기 모듈(TYPE678)을 이용했다.
- 건물모델링과 공조시스템 모델링을 이용하여 연간시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 기간은 2006년 8월부터 2007년 7월까지이며 냉방기간은 5월~10월, 난방기간은 11월~4월이다.
- 생애주기비용(LCC)은 초기투자비, 교체비용, 잔여가치, 에너지비용, 유지관리비용을 현재가로 계산하여 합한 값이다. 본 연구에서는 LCC 분석기간을 40년, 장비의 교체주기는 15년, 유지관리비는 초기투자비 대비 연간 1%로 설정하였다.
- 본 연구에서는 건물A에 적용된 혼합공조시스템과 일반적인 중앙공조시스템이 적용된 건물B의 공조방식(VAV+Convector)에 대한 모델링을 TRNSYS에 적용해 연간에너지비용을 계산하였다. 그리고 그 결과에 대한 LCC(Life Cycle Cost) 비교를 통해 혼합공조시스템의 경제성을 평가하고자 한다.
- 냉방조건 모델링에는 TRNSYS의 흡수식 냉방기 모듈(TYPE678)을 이용했다. 실내로 투입되는 냉/온기의 양을 조절해 주는 VAV유닛은 TYPE42-1를 이용하여 실내온도에 따라 각 존으로의 급기량을 조절해 주도록 하였다. TYPE42-1모듈은 1차 보간을 수행하는 모듈로 냉방기간의 경우 실내의 온도가 24.
- A/C와 중앙공조방식인 VAV+Conv.에 대한 모델링을 수행하였고 대상 건물인 건물A를 모델링하여 각 공조방식을 적용시켜 주었다. 시뮬레이션 기간은 2006년 8월~2007년 7월이었으며 각 공조방식의 에너지소비량을 계산하였다.
- 연간 에너지소비량과 각 공조방식의 초기투자비를 이용하여 LCC 분석을 수행하였다.
- 중앙공조방식으로는 VAV와 convector를 이용하는 시스템을 모델링하였다. 냉방기에는 내주부와 외주부 모두 VAV을 이용해 냉방을 하며 난방기에는 내주부는 VAV를, 외주부는 convector를 이용해 난방을 한다.
- Table 5에 전체 항목을 고려한 LCC 분석결과를 정리하였다. 표의 값들은 혼합공조의 초기투자비를 100이라 하고 그에 대한 상대적인 값으로 환산하여 정리하였다.
- 혼합공조방식과 중앙공조방식에 대해 LCC 분석을 수행하였다.
- 냉각탑은 TYPE51b cooling tower모듈을 이용하였으며 실제 사용된 냉각탑의 데이터를 입력해 주었다. 흡수식 냉동기에서 만들어진 냉수는 공기조화기로 들어가 냉기를 만들며 공기조화기는 Table 2의 장비제원에 맞추어 모델링하였다.
대상 데이터
- 외주부의 convector는 난방기에만 이용이 되며 convector로 들어가는 증기는 보일러에서 만들어진다. TYPE664의 증기코일을 이용해 모델링을 하였다.
- 기상데이터는 수원기상대에서 수집한 온도, 습도, 일사량데이터를 이용하였다(4). 기상자료는 기온과 습도의 경우 1시간 간격으로 제공되고 있으며, 일사량의 경우 1시간 동안의 적산값이다.
- 난방기의 보일러와 공기조화기는 TRNSYS의 유닛 히터모듈(TYPE664)을 사용하였다. 유닛 히터모듈은 증기코일의 용량, 팬의 풍량 등의 입력이 가능해 보일러와 공기조화기를 한 모듈로 모델링할 수 있다.
- 5℃이상에서는 최대 풍량으로 급기가 되도록 조절한다. 냉각탑은 TYPE51b cooling tower모듈을 이용하였으며 실제 사용된 냉각탑의 데이터를 입력해 주었다. 흡수식 냉동기에서 만들어진 냉수는 공기조화기로 들어가 냉기를 만들며 공기조화기는 Table 2의 장비제원에 맞추어 모델링하였다.
- VAV시스템의 모델링은 냉방조건과 난방조건의 모델링을 나누어 수행하였다. 냉방조건 모델링에는 TRNSYS의 흡수식 냉방기 모듈(TYPE678)을 이용했다. 실내로 투입되는 냉/온기의 양을 조절해 주는 VAV유닛은 TYPE42-1를 이용하여 실내온도에 따라 각 존으로의 급기량을 조절해 주도록 하였다.
- 외주부는 건물의 외벽에서 2 m안의 공간으로 구역번호 뒤에 1을, 내주부는 외벽에서 2 m밖의 공간으로 구역번호 뒤에 2를 붙여 주었다. 대상 공간의 조닝은 Fig. 2와 같으며 zone6, zone7, zone8은 비공조공간으로 엘리베이터, 화장실 등이 배치되어 있는 공간이다.
- 본 연구에서는 건물A의 한 개층을 모델링하여 시뮬레이션에 이용하였다. 대상공간을 크게 6개의 구역으로 조닝하였고 공조공간인 5개의 구역은 내주부와 외주부로 다시 분리하였다.
- 내주부의 공조를 위해 AHU를 이용한 VAV방식의 흡수식 시스템을 적용하였고 외주부의 공조시스템은 이전 연구의 시스템 멀티에어컨의 모델링을 이용하였다. 설비의 용량과 수량은 실제 건물에 적용된 장비의 데이터를 수집하여 입력하였다.
- 에 대한 모델링을 수행하였고 대상 건물인 건물A를 모델링하여 각 공조방식을 적용시켜 주었다. 시뮬레이션 기간은 2006년 8월~2007년 7월이었으며 각 공조방식의 에너지소비량을 계산하였다.
- 건물모델링과 공조시스템 모델링을 이용하여 연간시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 기간은 2006년 8월부터 2007년 7월까지이며 냉방기간은 5월~10월, 난방기간은 11월~4월이다.
- 시뮬레이션을 위한 대상건물은 수원에 위치한 건물A이다(Fig. 1). 건물A의 공조방식으로는 기준층 부하의 약 30%에 해당하는 외주부 부하는 시스템에어컨이 담당하고 그 나머지인 내주부의 부하는 VAV가 담당하는 혼합공조방식을 취하고 있다.
이론/모형
- 혼합공조시스템은 건물A에 적용된 시스템을 기준으로 모델링하였다. 내주부의 공조를 위해 AHU를 이용한 VAV방식의 흡수식 시스템을 적용하였고 외주부의 공조시스템은 이전 연구의 시스템 멀티에어컨의 모델링을 이용하였다. 설비의 용량과 수량은 실제 건물에 적용된 장비의 데이터를 수집하여 입력하였다.
- 대형건물의 공기조화에 이용될 수 있는 혼합공조방식과 중앙공조방식의 에너지 비용을 TRNSYS 16을 이용한 시뮬레이션을 통해 구하였다.
- 시뮬레이션은 TRNSYS를 사용하여 수행하였다. TRNSYS는 ASHRAE의 전달함수법(2,3)에 기초하고 있으며 현재는 건물에너지의 종합적인 해석이 가능한 수준으로 발전하였다.
- 혼합공조시스템은 건물A에 적용된 시스템을 기준으로 모델링하였다. 내주부의 공조를 위해 AHU를 이용한 VAV방식의 흡수식 시스템을 적용하였고 외주부의 공조시스템은 이전 연구의 시스템 멀티에어컨의 모델링을 이용하였다.
성능/효과
- LCC 분석결과는 혼합공조방식이 중앙공조보다 15% 정도 작아 혼합공조방식이 더 경제적이었다.
- LCC 분석결과를 살펴보면 혼합공조방식의 총 LCC 값이 중앙공조방식보다 15% 가량 작았다. 결과의 가장 큰 변수는 초기투자비와 에너지비의 두 항목이다.
- 외주부의 부하제거를 혼합공조에서는 시스템에어컨이, 중앙공조에서는 VAV방식이 담당하였고 이 차이에 의해 에너지소비량이 달라졌다. 두 가지 방식은 에너지 소비 요소가 달라 절대적인 수치를 이용한 비교는 힘들지만 에너지 비용을 비교한 결과는 혼합공조가 경제적이었다. 혼합공조방식의 경제적 이득은 부하량에 따라 운전율을 조절하는 시스템에어컨의 적용에 의한 결과라 판단된다.
- 두 공조방식의 연간 에너지비용(기본요금제외)은 혼합공조가 중앙공조보다 19% 가량 작았고 연간에너지비용에 기본요금을 포함시켜 총 에너지비용을 구한 값은 혼합공조가 중앙공조보다 약 5% 작았다.
- 위의 결과들로 대형건물의 공조방식에서 혼합공조방식이 중앙공조방식보다 경제적인 면에서 유리할 수 있음을 알 수 있다.
- 전체적인 분석결과 혼합공조방식의 적용이 가능한 건물에서는 초기투자비, 에너지비 등의 모든 면에서 혼합공조방식이 중앙공조방식보다 경제적임을 확인하였다. 이러한 결과는 혼합공조방식에 부분부하운전이 가능한 시스템에어컨이 적용된 결과라 판단된다.
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