최속 강하법을 이용한 흡수식 냉동공조시스템 제어 논문자료

 

최속 강하법을 이용한 흡수식 냉동공조시스템 제어
Control of the Absorption Air Conditioning System 
by Using Steepest Descent Method

흡수식 공조 시스템의 제어 알고리즘은 시스템의 동적 모델을 사용하여 개발할 수 있습니다. 시스템의 동적 거동을 예측할 수 있는 단순화된 효과적인 동적 모델은 시스템에 대한 효과적인 제어 알고리즘을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 본 연구에서는 동적 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 흡수식 공조 시스템의 제어 알고리즘을 개발하였다. 냉각수 입구 온도 제어 알고리즘, 냉수 출구 온도 제어 알고리즘, 급기 온도 제어 알고리즘을 개발하고 분석하였다. 최적의 알고리즘으로는 최속강하법(steepest descent method)을 사용하였다. 시뮬레이션 결과는 에너지 절약과 흡수식 공조 시스템의 효과적인 제어를 보여주었습니다.

[연구 주제]

1. 문제 정의

본 연구에서는 흡수식 공조시스템의 동적 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 시스템의 주요 구성요소인 냉각탑, 냉동기, 공조기의 최적 알고리즘을 개발한 후 개발된 제어 알고리즘의 유 효성을 확인하는 것을 목적으로 한다.

8시부터 19시까지를 공조시간으로 선택하였으며 이 때의 건물의 공조부하는 Fig. 3과 같이 가정하였고, 시간대별 습구온도는 Table 2와 같이 가정하였다.

[연구 방법]

1. 제안 방법

냉동시스템의 실측 데이터를 기초로 한 동적 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 구성요소에 기반을 둔 알고리즘을 개발하고 시스템 제어시험을 수행한 후 기존의 고정온도 설정값 제어와 비교 하였으며, Cadicia⑸는 시뮬레이션을 통해 개발된 준최적 설정값을 실제 건물 빌딩 자동제어 시스템의 DDC(Direct Digital Controller)에 적용하여 그 우수성을 확인하였다.

각 구성요소의 동적 현상을 고려하여 직화식 흡수식 냉동기의 동적 모델, 대항류 방식 냉각탑의 동적 모델, 냉수 코일, 온수 코일, 덕트, 댐퍼, 팬 등으로 구성된 변풍량 공조기의 동적 모델, 그리고 공조시스템의 부속요소로서 삼방 밸브, 관, 펌프, 온도센서, 비례적분 제어기 등의 동적 모델을 개발하였으며 개발된 모델들을 이용하여 각 모델들의 동적 상호작용을 시뮬레이션할 수 있는 모듈화된 형태의 동적 시뮬레이션 프로그램을 구성하였다.

개발된 제어 알고리즘의 유효성을 확인하기 위해서 흡수식 공조시스템의 동적 시뮬레이션 프로그램을 사용하였다.

흡수식 공조시스템의 효과적인 운용을 위하여 냉동기 냉각수 입구온도 제어 알고리즘, 냉동기 냉수 출구온도 제어 알고리즘, 공조기 급기온도 제어 알고리즘을 개발하였다.

2. 대상 데이터

제어 알고리즘의 개발대상으로 선택된 흡수식 공조시스템은 Fig. 1과 같이 흡수식 냉동기, 냉각 탑, 변풍량 공조기, 보일러 등으로 구성되어 있다.

시뮬레이션 프로그램은 냉동 기 냉각수 입구온도 제어 시스템, 냉동기 냉수 출구온도 제어 시스템, 공조기 급기온도 제어 시스템으로 구성되어 있으며, 시뮬레이션 대상으로는 450RT급의 2중 효용 흡수식 냉동기, 700 RT 의 냉각능력을 가진 대향류형 냉각탑, 600CMM 급의 변풍량 공조기를 선정하였고 Table 1과 같은 성능 데이터를 사용하였다.

3. 이론/모형

냉동기 냉각수 입구온도 제어 알고리즘은 냉각 탑, 삼방밸브, 펌프, 제어기, 센서 등으로 이루어진 시스템을 제어하기 위한 알고리즘으로서 냉각 수 입구온도를 부하에 적응할 수 있도록 적절히 설정하는 냉각수 입구온도 설정 알고리즘과 설정 된 온도로 제어하기 위한 냉각탑 삼방밸브 제어 알고리즘으로 구성되어 있으며, 냉각수 입구온도 를 설정하기 위하여 최속 강하법을 이용하였다.

냉각탑 삼방밸브 제어 알고리즘은 설정 알고리즘에 의해 설정된 온도로 삼방밸브를 제어하기 위하여 비례적분 제어 알고리즘을 사용하였으며, 제어기 출력신호 #는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

냉동기 냉수 출구온도 제어 시스템은 냉동기, 삼방밸브, 펌프, 제어기, 센서 등으로 이루어진 시스템을 제어하기 위한 알고리즘으로서 냉동기의 효율을 고려하여 냉동기의 냉수온도를 설정하여 주는 냉수 출구온도 설정 알고리즘과 설정된 온도로 제어하기 위한 냉동기 용량 제어 알고리즘으로 구성되어 있으며, 냉동기 냉수 출구온도 를 설정하기 위하여 최속 강하법을 이용하였다.

냉동기 용량 제어 알고리즘은 설정 알고리즘에 의해 설정된 온도로 흡수식 냉동기의 연료공급 밸브를 제어하기 위하여 비례적분 제어 알고리즘을 사용하였다.

공조기 급기온도 제어 시스템은 공조기, 삼방 밸브, 펌프, 제어기 등으로 이루어진 시스템을 제어하기 위한 알고리즘으로서 실내온도 조건을 고려하여 공조기의 급기온도를 최적으로 설정하는 공조기 급기온도 설정 알고리즘과 설정된 온도로 제어하기 위한 냉수 코일 삼방밸브 제어 알고리즘으로 구성되어 있으며, 공조기 급기온도를 설정하기 위하여 최속 강하법을 이용하였다.

냉수 코일 삼방밸브 제어 알고리즘은 설정 알고리즘에 의해 설정된 온도로 공조기의 냉수 코일 삼방밸브를 제어하기 위하여 비례적분 제어 알고리즘을 사용하였다.

[연구 결과]

1. 성능/효과

그림에서와 같이 개발된 알고리즘을 적용한 경우와 고정된 설정온도를 적용한 경우 모두 실내온도를 설정온도에서 정상상태 오차 4% 미만으로 유지 하고 있어 두 알고리즘 모두 실내온도 제어에 적절히 사용할 수 있음을 확인할 수 있다.

그림에서와 같이 개발된 제어 알고리즘을 적용한 경우와 32℃로 고정한 경우 모두 냉각수 입구 설정온도로 적절히 제어되었고, 개발된 제어 알고리즘을 적용한 경우 습구온도의 변화가 크지 않아 냉각탑 팬의 소요 동력을 최소화하는 냉각수 입구온도 #"가 큰 변화를 나타내지 않았으며 냉각탑 팬의 소요 동력은 448.3kWh로서 온도를 32℃로 설정한 경우의 471.1 kWh에 비하여 4.8%의 에너지 절감효과를 나타내었다.

Fig.7 에서와 같이 두 경우 모두 냉수 출구온도가 설정 된 온도에 대하여 적절히 제어됨을 알 수 있으나 Fig. 8에 보여주듯이 줄구온도를 고정한 경우는 냉동기 소비열량이 10, 635.1kWh인데 비하여 설정 알고리즘을 적용한 경우는 9, 824.8 kWh로 나타나 개발된 설정 알고리즘을 적용한 경우 7.6%의 에너지 절감효과가 있음을 알 수 있었다.

Fig. 9에서 와 같이 두 경우 모두 공급 공기 온도는 설정된 온도로 적절히 제어되고 있으나, Fig. 10 에 보여주듯이 공급 공기온도를 17℃로 고정한 경우 공조기 팬의 소비동력이 323.2kWh인데 비하여 개발된 설정 알고리즘을 적용한 경우 291.7 kWh로서 9.7%의 에너지를 절약할 수 있었다.

따라서 개발된 제어 알고리즘을 모두 적용한 경우의 전체 시간대별 에너지 소비량은 Fig. 11에서 비교한 것과 같이 냉각탑, 냉동기, 공조기의 설정온도를 각각 고정한 경우의 11, 429.4 kWh에 비하여 10, 564.8kWh로 나타나 전체 에너지 소비량의 7.6%가 절감됨을 알 수 있었다.

개발된 제어 알고리즘의 유효성을 확인하기 위하여 흡수식 공조시스템을 구성하고 있는 각종 구성요소의 동적 모델을 적용한 동적 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 적용한 결과 주어진 부하에 적절히 반응하는 제어시스템의 성능향상을 관찰할 수 있으며, 개발된 알고리즘을 적용할 경우 전체 에너지 사용량의 7.6%가 절약됨을 알 수 있었다.

따라서 개발된 제어 알고리즘은 흡수식 냉동공조시스템의 시스템 성능향상과 에너지 절약을 위하여 효과적으로 사용할 수 있음을 확인하였다.

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO200311921728202

[논문]최속 강하법을 이용한 흡수식 냉동공조시스템 제어