열원 및 공조설비의 최적제어시스템 현장 적용성에 관한 연구 논문자료

열원 및 공조설비의 최적제어시스템 현장 적용성에 관한 연구
A Study on the Application of the Optimal 
Control System for Heat Source and HVAC System

열원 및 HVAC 시스템의 최적 제어 시스템이 개발되어, 시간에 따라 변하는 실내 부하와 실외 온도 등 환경 변수들을 고려하면서 실내 열환경의 쾌적함을 유지하고 에너지 소비를 최소화할 수 있도록 했습니다. 제어 변수의 최적 설정값은 공급 공기 온도와 냉·온수의 온도입니다. 이 최적 제어 연구는 열원 및 HVAC 시스템의 에너지 성능을 조사하기 위해 TRNSYS 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 생물안전 실험실을 대상으로 수행되었습니다.

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연구 주제

 

1. 문제 정의

따라서 본 연구에서는 최적제어 알고리즘을 이용하여 실험용 동물을 사육하는 생물안전 실험실을 대상으로 냉수 또는 온수 및 급기온도의 최적설정치를 구하고, 시뮬레이션을 통하여 실제 에너지 사용량과 비교하여 에너지 절감 효과를 관찰하여 개발된 최적제어 알고리즘이 기존의 제어방식에 비해 보다 효과적임을 확인하고자 한다.

최적제어 알고리즘은 냉온수온도, 급기온도, 냉각수 온도의 설정점을 변화하는 부하에 따라 적절하게 변화시켜 에너지소모량의 절감을 목적으로 한다.

본 연구에서는 기존 건물을 대상으로 열원 및 공조 설비에 대한 최적제어 시스템의 적용 가능성을 검토해 보고자, TRNSYS 프로그램을 사용하여 대상 건물을 모델링하고 최적 제어 알고리즘(1-3)을 적용하는 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

2. 가설 설정

Case 1의 경우 기존의 열원 및 공조 설비 시스템은 변경하지 않고 최적제어알고리즘에 맞추어 제어가 가능한 부분만 적용한 반면, Case 2의 경우에는 전술한 바와 같이 공조 시스템을 제어 알고리즘에 맞게 변경하는 것으로 가정하여 여러 대의 CDU를 부하에 따라 적응성이 강한 한 대의 터보식 냉동기로 대체하는 것으로 가정하였고, 그에 따라 변유량 펌프를 추가하였다.

변유량 펌프는 냉수량을 PI 제어하는 것으로 가정하였다.

 

연구 방법

 

1. 제안 방법

본 연구에서는 열원 및 공조설비, 실내부하모델 등의 구성 요소, 각종 제어기 및 센서들로 구성된 냉난방시스템의 특성을 연구하는데 과도 시뮬레이션 해석 프로그램인 TRNSYS를 사용하였다.

구성된 프로그램은 실제 시스템과 같이 건물내로 도입되는 외기는 절대 습도량에 따라 작동되는 CDU의 직접 팽창식 코일을 지나고 실내에서 환기되는 공기와 현열 교환을 한다.

이에 본 연구에서는 실제 시스템의 개선을 최소화 하여 최적 제어 알고리즘을 적용하는 방안으로 공조기의 급기 온도만을 최적 제어하는 방안과 개선 비용이 많이 소요될 것으로 예상되는 CDU를 터보 냉동기로 개보수하여 급기온도와 냉수 온도를 제어하는 방안의 2가지로 구분하여 제어 알고리즘을 적용하였으며 전자의 경우를 Case 1, 후자를 Case 2로 구분하였다.

제어는 냉수온도를 제어하는 대신, 세 대의 CDU를 On/Off 제어하여 코일을 지난 후의 공조기의 급기 온도의 설정점을 제어하였다.

2. 대상 데이터

대상 건물은 경기도 평택에 위치하고 있으며 기상 데이터로는 지리적으로 가까운 수원의 온습도 데이터를 적용하였으며 하절기는 6～7월, 동절기는 11～12월의 각 2개월간의 외기데이터를 적용하였다.

 

연구 결과

 

1. 성능/효과

표에서 같이 하절기는 전력사용량, 동절기는 보일러 가스사용량을 비교하였으며 시뮬레이션 결과 실제 에너지 사용량과 시뮬레이션의 차이가 하절기 약 1.6%, 동절기 약 4%로 나타나 개발된 시뮬레이션 모델이 제어 알고리즘 개발을 위한 분석 도구로 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.

표에서와 같이 급기온도를 최적 제어하였을 경우 기존의 시스템과 비교하여 냉방시 전력소비량은 약 5.73%, 난방시 가스소비량은 약 6.20% 감소하였다.

기존의 전형적인 공조 시스템을 대상으로 한 연구결과(2)에서는 에너지 절감효과가 더 크게 나타나지만 본 연구에서는 급기설정온도의 설정점만을 제어했고, 부하에 따라 CDU를 On/Off 제어 하는 시스템이기 때문에 에너지 절감 효과가 감소하는 것으로 고려된다.

표에서와 같이 냉수온도와 급기온도를 최적 제어하였을 경우 기존의 시스템과 비교하여 냉방시 전력사용량이 약 9.06% 절감되는 것을 확인할 수 있었다.

Case 1의 결과와 비교하여 볼 때, Case 2처럼 기존의 설비나 시스템을 개량 또는 교체하는 것이 기존의 시스템에서 제어부분만 변경하는 것보다 두 달 기준으로 하절기 약 3.33%의 전력사용량을 절약 할 수 있을 것으로 예상되었다.

(1) 일반적인 정풍량 또는 변풍량 공기조화 시스템이 아닌 전외기 방식의 실험동물 사육실을 대상으로 대상물의 시스템 특성, 공조방식, 열원 설비의 특성 등의 조건을 이용하여 시뮬레이션 모델을 개발하였으며 유사한 외기 조건 데이터를 사용하여 시뮬레이션을 수행한 결과 하절기 및 동절기의 특정 기간 에너지 사용량 대비 약 4% 정도의 오차가 발생하여 개발된 시뮬레이션 모델이 대상 건물의 에너지 분석에 활용될 수 있음을 확인하였다.

(2) 기존 시스템을 보수하지 않고 급기 설정 온도만을 대상으로 최적 제어 시스템을 적용한 결과 기존 제어 방식 대비 하절기의 경우 약 5.73%, 동절기의 경우 약 6.20%의 에너지 절감효과를 나타내었다.

(3) 기존 시스템에서 냉열원 장비를 교체하는 것으로 가정하여 급기 설정 온도와 냉수 설정 온도를 대상으로 최적 제어 시스템을 적용한 결과 기존 제어 방식 대비 하절기의 경우 약 9.06%의 에너지 절감 효과를 나타내어 위에서 서술한 설비의 개선없이 최적 제어 시스템을 적용한 방식에 비하여 약 3.33%의 추가적인 에너지 절감효과를 나타내었다.​​​​​​​

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▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=NPAP08311013

[논문]열원 및 공조설비의 최적제어시스템 현장 적용성에 관한 연구