KR20200037623A - 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 공조기를 연계하여 변풍량 터미널 유닛 시스템의 최소풍량 제어 및 실내 이산화탄소 농도를 제어하되, 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상인 존(zone)의 변풍량 터미널 유닛의 풍량만을 증가시켜 실내 이산화탄소 농도를 제어하고, 변풍량 터미널 유닛의 제어만으로 실내 이산화탄소 농도가 제어되지 않을 경우, 배기덕트 내 환기 이산화탄소 농도가 기준 이하이면, 외기도입량을 증가시키기 전 실내 환기 풍량을 증가시킴으로써, 냉ㆍ난방 에너지 및 공조 에너지를 절감할 수 있는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법에 관한 것이다.

Description

변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법 {CO2 control method for variable air volume system}
본 발명은 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 공조기를 연계하여 변풍량 터미널 유닛 시스템의 최소풍량 제어 및 실내 이산화탄소 농도를 제어하되, 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상인 존(zone)의 변풍량 터미널 유닛의 풍량만을 증가시켜 실내 이산화탄소 농도를 제어하고, 변풍량 터미널 유닛의 제어만으로 실내 이산화탄소 농도가 제어되지 않을 경우, 배기덕트 내 환기 이산화탄소 농도가 기준 이하이면, 외기도입량을 증가시키기 전 실내 환기 풍량을 증가시킴으로써, 냉ㆍ난방 에너지 및 공조 에너지를 절감할 수 있는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법에 관한 것이다.
국내 전체 에너지 소비량에서 건물부분이 차지하는 비중은 25% 이상이며, 중ㅇ대형 건물에서의 에너지 소비가 계속 증가하고 있는 실정이다. 변풍량 시스템의 경우 에너지 절약에 대한 관심이 고조되면서, 대형건물에서 많이 채택되고 있다.
변풍량 시스템의 제어를 위해서는 각 존별 설치된 터미널 유닛의 제어가 필수적이다. 일반적인 변풍량 시스템의 터미널 유닛은 피크부하를 바탕으로 최소풍량과 최대풍량을 설정하고 실내에 설치된 온도센서를 이용하여 제어한다. 실내온도가 상승하면 실내 온도감지기는 이를 감지하여 댐퍼조작기에 신호를 보내 급기 풍량을 증가시켜 적정 실내온도를 유지하고, 실내온도가 떨어지면 실내 온도 감지기는 감소된 부하(온도)를 감지하여 댐퍼조작기에 신호를 보내면 설정점을 유지하기 위하여 풍량을 감소시킨다. 최소 풍량 급기 시에도 실내온도가 설정점 이하로 떨어질 경우 재열코일의 밸브가 작동되어 실내온도조건을 설정 범위에서 유지시킨다.
관련 기술로는 국내공개특허 제2009-0010888호(공개일 2009.01.30, 명칭 : 공조 제어장치 및 공조 제어방법)가 있다.
기존의 변풍량 터미널 유닛의 시스템은 도 1에서 도시된 바와 같이 같이 컨트롤러(controller), 온도감지기(thermostat), 댐퍼조작기(actuator), 댐퍼(damper), 재열코일(heating coil), 풍량 측정기(flow station)로 구성된다. 실내온도가 상승하면 실내 온도감지기는 이를 감지하여 댐퍼조작기에 신호를 보내 급기 풍량을 증가시켜 적정 실내온도를 유지하고, 실내온도가 떨어지면 실내 온도 감지기는 감소된 부하(온도)를 감지하여 댐퍼조작기에 신호를 보내면 설정점을 유지하기 위하여 풍량을 감소시킨다. 최소 풍량 급기 시에도 실내온도가 설정점 이하로 떨어질 경우 재열코일의 밸브가 작동되어 실내온도조건을 설정 범위에서 유지시킨다.
일반적으로 한 대의 공조기가 담당하는 다수의 존을 제어하게 될 경우 터미널 유닛의 최소풍량이 아주 중요하고, 각각의 존의 상황에 맞게 터미널 유닛이 제어되어야만 한다. 일반적인 터미널 유닛의 제어는 실내 온도의 변화에 따라 풍량이 조절된다.
일반적으로 기존의 변풍량 터미널 유닛의 최소풍량은 최대풍량의 약 40~50%의 값으로 고정되어 제어되며, 터미널 유닛의 풍량은 실내 온도에 비례하며 풍량을 공급하게 된다. 하지만 고정된 최소풍량은 실내 공간의 다양한 변화에 대응하기 어려워 최적제어를 위하여 시스템의 운전 및 부하 상황의 예측이 중요하다. 일반적으로 건물 부하 산정은 정상상태의 부하를 예측하거나, 동적 시뮬레이션을 통하여 비정상상태의 부하를 예측할 수 있다. 하지만 시뮬레이션의 경우 수많은 변수들의 실시간 변화를 적용하는 것 또한 어렵다. 대부분의 건물 부하 산정은 설계 단계에서 HVAC 시스템의 용량 산정에 활용하기 위하여 정상상태의 부하 계산이 주를 이루며, 운영 및 제어 단계에서는 실시간 부하를 예측하고 시스템 제어에 사용은 전무한 실정이다.
아울러, 기존의 터미널 유닛의 풍량의 경우 실내 온도를 위해서만 제어가 되고, 실내 공기질을 위한 풍량 제어는 제한적으로 이루어지고 있다. 이때 실내 공기질 판단 기준은 CO2 농도를 기준으로 하며, 기존의 실내 공기질 제어방안에서는 실내 CO2 농도를 제어하기 위하여 공조기의 외기도입량만을 제어한다.
이처럼 실내 CO2 농도 제어를 위하여 외기도입량을 증가시키게 되면 외기온도에 따라 과도한 공조기의 코일 에너지가 사용되며, 여름이나 겨울철의 경우에는 외기와 실내의 온도 차가 크기 때문에 보다 큰 냉난방 에너지를 사용하게 되는 문제점이 있었다.
따라서 기존의 변풍량 시스템의 제어 방안에 대하여 실내 CO2 농도 문제가 발생할 경우 터미널 유닛의 풍량 제어와 공조기의 풍량을 적절히 제어하여, 외기도입시간을 지연시키고, 외기도입량을 줄여 실내 CO2 농도를 제어하는 방안이 필요하다.
국내공개특허 제2009-0010888호(공개일 2009.01.30, 명칭 : 공조 제어장치 및 공조 제어방법)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 공조기를 연계한 변풍량 터미널 유닛 시스템의 최소풍량 제어 및 실내 이산화탄소 농도를 제어하기 위한 것으로, 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상인 존(zone)의 변풍량 터미널 유닛의 풍량만을 증가시켜 실내 이산화탄소 농도를 제어하고, 변풍량 터미널 유닛의 제어만으로 실내 이산화탄소 농도가 제어되지 않을 경우, 배기덕트 내 환기 이산화탄소 농도가 기준 이하이면, 리턴 댐퍼 개도율을 증가시켜 리턴 풍량을 이용하여 전체 공급 풍량을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상인 경우, 무조건 신선 외기를 도입하는 것을 지양하여 냉ㆍ난방 에너지 및 공조 에너지 절감을 목적으로 한다.
본 발명은 풍량센서(410), 공급온도센서(420), 실내온도센서(430) 및 실내 이산화탄소 센서(441)를 통해 전달받은 정보를 바탕으로 급기댐퍼 액추에이터(453) 및 재열 코일 밸브(460)의 작동을 조절하는 변풍량 터미널 유닛 제어부(510)와, 상기 변풍량 터미널 유닛 제어부(510) 및 배기덕트(100) 내에 설치된 환기 이산화탄소 센서(442)를 통해 전달받은 정보를 바탕으로 배기댐퍼 액추에이터(451), 외기댐퍼 액추에이터(452), 공급팬 가변 주파수 제어장치(481)의 작동을 조절하는 공조기 제어부(520)를 포함하여 형성되는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법에 있어서, 실내온도에 따라 냉방모드 또는 난방모드를 선택하는 냉ㆍ난방 모드 설정 단계(S100); 실내온도가 실내 설정온도에 도달하면 실내 이산화탄소 농도를 측정하는 CO2 농도측정 단계(S200); 및 실내 이산화탄소 센서에서 측정된 농도가 설정농도보다 큰 경우, 환기모드가 설정되는 단계(S300); 를 포함하되, 상기 냉방모드, 난방모드 및 환기모드는 난방부하 또는 환기를 고려한 최소 풍량을 통해 결정된 변풍량 터미널 유닛(T)의 최소 풍량을 적용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 환기모드가 설정되는 단계(S300)는 다수개의 존(zone) 중 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상인 존의 상기 변풍량 터미널 유닛의 풍량만을 일정 비율로 증가시키는 제1단계(S310); 상기 급기댐퍼(310)의 개도율이 100%에 도달한 상태에서도 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상인 경우, 상기 배기덕트(200) 및 외기덕트(100) 사이에 리턴패스(101) 상에 설치된 리턴댐퍼(111)의 개도율을 증가시켜 순환되는 리턴풍량을 일정 비율로 증가시키는 제2단계(S320); 상기 리턴댐퍼(111)의 개도율이 100%에 도달한 상태에서도 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상이거나, 실내 이산화탄소 센서(441) 및 환기 이산화탄소 센서(442)에서 측정된 농도가 모두 기준치 이상인 경우, 외기댐퍼(100)의 개도율을 증가시켜 외기도입율을 일정 비율로 증가시키는 제3단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변풍량 터미널 유닛(T)의 최소 풍량은 난방부하를 고려한 최소 풍량과 환기를 고려한 최소 풍량 중 큰 값을 이용하며, 난방부하를 고려한 최소 풍량과, 환기를 고려한 최소 풍량은 하기의 수학식 1 내지 6에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
(수학식 1)
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
(수학식 2)
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
(수학식 3)
Figure pat00009
(수학식 4)
Figure pat00010
(수학식 5)
Figure pat00011
(수학식 6)
Figure pat00012
Figure pat00013
또한, 상기 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법은 상기 환기모드 수행 시 공급온도가 재설정되며, 상기 공급온도가 하기의 수학식 7에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00014
(V : 공급 풍량) (수학식 7)
또한, 상기 냉ㆍ난방 모드 설정 단계(S100)는 실내온도가 실내 냉방 설정온도보다 높을 경우, 냉방모드가 설정되며, 실내온도가 실내 난방 설정온도보다 낮을 경우, 난방모드가 설정될 수 있다.
또한, 상기 냉방모드에서는 풍량이 냉방 부하에 의해 결정되며, 변풍량 터미널 유닛(T)의 최대 풍량 및 최소 풍량 사이에서 실내 설정온도를 유지하기 위해 외기댐퍼(210), 배기댐퍼(110), 급기댐퍼(310) 및 공급팬(482)이 작동될 수 있다.
또한, 상기 난방모드에서는 상기 수학식 1 내지 수학식 6에 의해 난방부하를 고려한 최소 풍량과, 환기를 고려한 최소 풍량 중 큰 값으로 결정된 최소 풍량으로 풍량이 결정되며, 급기 설정 온도 유지를 위해 재열 코일 밸브(460)가 작동될 수 있다.
또한, 상기 공기조화 시스템 제어방법은 환기모드 수행으로 이산화탄소 농도가 설정농도 이하로 내려가면 실내온도에 따라 냉ㆍ난방모드를 재설정하는 단계(S400); 를 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 공기조화 시스템 제어방법은 공조기를 연계하여 변풍량 터미널 유닛 시스템의 최소풍량 제어 및 실내 이산화탄소 농도를 제어하되, 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상인 존(zone)의 변풍량 터미널 유닛의 풍량만을 증가시켜 실내 이산화탄소 농도를 제어하고, 변풍량 터미널 유닛의 제어만으로 실내 이산화탄소 농도가 제어되지 않을 경우, 배기덕트 내 환기 이산화탄소 농도가 기준 이하이면, 리턴 댐퍼 개도율을 증가시켜 리턴 풍량을 이용하여 전체 공급 풍량을 증가시킴으로써, 냉난방 에너지 및 공조 에너지 절감할 수 있다는 장점이 있다.
즉, 본 발명은 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상인 경우, 무조건 신선 외기를 도입하는 것을 지양하여 불필요한 냉난방 에너지 공조 에너지 절감할 수 있다.
아울러, 본 발명은 실내부하 및 실내 환기량을 고려하여 환경에 따라 유동적인 최소풍량을 바탕으로 실내 이산화탄소 농도의 문제 발생 시 터미널 유닛의 풍량을 제어함으로써, 실내 공기질을 개선하여 쾌적함을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
덧붙여 설명하면, 기존의 변풍량 터미널 유닛 시스템에서는 고정된 최소 풍량을 공급하고, 실내 온도만을 제어했으며, 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상일 경우 제어가 불가능했던 반면, 본 발명에서는 기존의 실내 온도 제어뿐만 아니라, 실내 이산화탄소 농도를 제어하여 재실자에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 유동적인 최소 풍량의 적용으로 인해, 재실인원이 없을 경우에도 에너지가 낭비되던 것을 방지하고, 변풍량 터미널 유닛의 재열 에너지 및 공조기의 팬 에너지 등을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 공기조화 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법을 나타낸 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법 평가를 위한 시뮬레이션 스케쥴을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 단일 덕트 변풍량 터미널 유닛 시스템의 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 Trnsys를 통해 구현한 공기조화 시스템 제어방법의 시뮬레이션 다이어그램.
도 8은 본 발명에 따른 이산화탄소 농도 산정 모델의 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법을 적용한 연간 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 10은 기존 고정된 최소풍량을 사용하는 변풍량 터미널 유닛과 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법의 월간 공조 에너지 소비량을 비교한 도면.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 풍량센서(410), 공급온도센서(420), 실내온도센서(430) 및 실내 이산화탄소 센서(441)를 통해 전달받은 정보를 바탕으로 급기댐퍼 액추에이터(453) 및 재열 코일 밸브(460)의 작동을 조절하는 변풍량 터미널 유닛 제어부(510)와, 상기 변풍량 터미널 유닛 제어부(510) 및 배기덕트(100) 내에 설치된 환기 이산화탄소 센서(442)를 통해 전달받은 정보를 바탕으로 배기댐퍼 액추에이터(451), 외기댐퍼 액추에이터(452), 공급팬 가변 주파수 제어장치(481)의 작동을 조절하는 공조기 제어부(520)를 포함하여 형성되는 변풍량 시스템의 냉방모드, 난방모드 및 환기모드를 적절히 제어하는 방법에 관한 것이다.
먼저, 상기 변풍량 시스템의 구성을 간략히 살펴보면,
상기 공기조화 시스템은 실내의 공기를 외부로 유출시키는 통로인 배기덕트(100)를 포함하며, 상기 배기덕트(100)를 통해 유출되는 배기량은 배기댐퍼(110)에 의해 조절된다.
외기덕트(200)는 외부공기로부터 공기를 건물 내로 흡수하는 통로이며, 상기 외기덕트(200)를 통해 유입되는 외기량은 외기댐퍼(210)에 의해 조절된다.
상기 외기덕트(200) 상에는 실내로 외기가 공급될 수 있도록 공급팬(482) 및 공급팬 가변 주파수 제어장치(481)가 구비된다.
급기덕트(300)는 공기조화장치로부터 실내로 공급되는 공기의 통로이며, 급기량을 측정하기 위한 풍량센서(410)와, 상기 급기덕트(300)를 통과하는 공기의 압력을 측정하기 위한 정압센서(미도시)가 추가적으로 설치될 수 있다. 이때, 상기 급기덕트(300)를 통해 유입되는 공기량은 급기댐퍼(310)에 의해 조절된다.
상기 급기덕트(300) 상에는 공급온도센서(420)가 더 구비되어, 실내로 공급되는 공기의 온도를 측정하게 된다.
상기 환기 이산화탄소 센서(442)는 배기덕트(100) 상에 설치되어 유출되는 실내 공기 내에 포함된 이산화탄소 농도를 측정하고, 상기 실내 이산화탄소는 실내에 인접하여 설치되어 실내 이산화탄소 농도를 측정하게 된다.
즉, 상기 환기 이산화탄소 센서(442)는 다수개의 존(Zone1, Zone2)에서 배기되는 리턴 풍량이 합쳐지는 패스 상에 설치되어, 외부로 배출되는 풍량 내 이산화탄소 농도를 측정한다.
상기 배기덕트(200) 및 외기덕트(100) 사이에는 리턴패스(101)가 연결되며, 상기 리턴패스(101) 상에는 리턴댐퍼(111)가 설치된다.
상기 변풍량 터미널 유닛 제어부(510)는 풍량센서(410), 공급온도센서(420), 실내온도센서(430) 및 실내 이산화탄소 센서(441)를 통해 전달받은 정보를 바탕으로 급기댐퍼 액추에이터(453) 및 재열 코일 밸브(460)의 작동을 조절한다.
또, 상기 공조기 제어부(520)는 상기 외기댐퍼 액추에이터(452), 배기댐퍼 액추에이터(451)를 작동시켜 외기댐퍼(210), 배기댐퍼(110) 및 리턴댐퍼(111)의 개도량을 조절할 뿐만 아니라, 상기 공급팬 가변 주파수 제어장치(481)를 제어하여 상기 공급팬(482)의 작동을 조절한다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법에 대해 설명하면,
본 발명에 따른 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법은 실내온도에 따라 냉방모드 또는 난방모드를 선택하는 냉ㆍ난방 모드 설정 단계(S100); 실내온도가 실내 설정온도에 도달하면 실내 이산화탄소 농도를 측정하는 CO2 농도측정 단계(S200); 및 실내 이산화탄소 센서에서 측정된 농도가 설정농도보다 큰 경우, 환기모드가 설정되는 단계(S300); 을 포함한다.
상기 냉ㆍ난방 모드 설정 단계(S100)와, CO2 농도측정 단계(S200) 및 환기모드 설정 단계(S300)의 순서는 필요에 따라 변경될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다.
변풍량 터미널 유닛(T)에서의 최소 풍량은 실내 공기질 및 에너지 소비량과 밀접한 관계가 있다. 만약, 최소풍량이 상대적으로 높게 설정되어 있다면, 실내 부하가 작을 경우 과도한 팬 에너지와 재열 코일 에너지를 소비하게 되며, 반대로 너무 낮게 설정된 경우 적절한 난방능력, 환기량 및 성층화 현상을 일으킬 수 있다.
따라서 기존의 고정된 최소풍량으로 인한 문제점을 개선하기 위해, 본 발명에서는 상기 냉방모드, 난방모드 및 환기모드 시 난방부하를 고려한 최소 풍량, 또는 환기를 고려한 최소 풍량을 적용하여 수행된다.
이때, 상기 최소 풍량은, 실내 난방부하, 공기 밀도, 공기 비열, 공급 공기 온도, 실내 온도, 재실 인원, 재실 인원당 필요 외기도입량, 바닥면적, 바닥면적당 필요 외기도입량에 따라 유동적으로 변화하게 된다.
상기 최소 풍량은 난방부하를 고려한 최소 풍량과 환기를 고려한 최소 풍량 중 큰 값을 이용하며, 난방부하를 고려한 최소 풍량과, 환기를 고려한 최소 풍량은 하기의 수학식 1 내지 수학식 6에 의해 계산된다.
Figure pat00015
(수학식 1)
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
(수학식 2)
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
이때 상기 수학식 2에서의
Figure pat00022
및
Figure pat00023
는 존의 상태에 따라 달리 적용할 수 있으며, 사무용도로 사용되는 공간의 경우에는 ASHRAE Standard 62.1에서 제시한 L/sㅇperson, 0.3 L/sㅇm2를 사용할 수도 있다.
특히, 본 발명에서는 다수의 존을 담당하는 공조기의 외기도입량 산정 시 각 존의 외기도입비율 중 가장 크리티컬(critical)한 존의 외기도입비율을 이용하여 시스템의 외기도입비율을 보정하여야 하며, 이는 다음 수학식 3 내지 6을 통하여 계산된다.
Figure pat00024
(수학식 3)
Figure pat00025
(수학식 4)
Figure pat00026
(수학식 5)
Figure pat00027
(수학식 6)
Figure pat00028
Figure pat00029
한편, 상기 냉ㆍ난방 모드 설정 단계(S100)에서는 실내온도가 실내 냉방 설정온도보다 높을 경우, 냉방모드가 설정되며, 실내온도나 실내 난방 설정온도보다 낮을 경우, 난방모드가 설정되어 수행된다.
즉, 상기 냉방모드는 실내 냉방 설정 온도보다 높을 경우 수행되며, 이때의 풍량은 냉방 부하에 의해 결정된다.
이때, 상기 변풍량 터미널 유닛 제어부(510)는 변풍량 터미널 유닛(T)의 최대 풍량과 최소 풍량 사이에서 실내 설정온도를 유지하기 위해, 상기 급기댐퍼 액추에이터(453), 배기댐퍼 액추에이터(451) 및 외기댐퍼 액추에이터(452)에 신호를 보내 급기댐퍼(310), 배기댐퍼(110) 및 외기댐퍼(210)의 개도량을 적절히 조절하여 급기 풍량을 증가시킨다.
상기 난방모드는 실내온도가 실내 난방 설정온도보다 낮을 경우 수행되며, 상기 수학식 1 내지 수학식 6에 의해 난방부하를 고려한 최소 풍량과, 환기를 고려한 최소 풍량 중 큰 값으로 결정된 최소 풍량으로 풍량이 결정된다.
상술한 바와 같은 방법으로 결정된 최소 풍량 급기 시에도 실내온도가 설정온도 이하로 떨어질 경우, 상기 변풍량 터미널 유닛 제어부(510)는 상기 재열 코일 밸브(460)를 작동시켜 실내온도 조건을 설정 범위에서 유지시킨다.
만약, 최소풍량이 상대적으로 높게 설정되어 있다면, 실내 부하가 작을 경우 과도한 팬 에너지와 재열 코일 에너지를 소비하게 되며, 반대로 너무 낮게 설정된 경우 적절한 난방능력, 환기량 및 성층화 현상을 일으킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법은 실내온도가 실내 설정온도에 도달하면 실내 이산화탄소 농도를 측정하게 된다.
이때, 상기 실내 이산화탄소 센서(441)에서 측정된 실내 이산화탄소 농도가 1000ppm 이상으로 기준보다 높을 경우, 환기모드가 설정되어 수행된다.
특히, 본 발명에서 상기 환기모드가 설정되는 단계(S300)는 다수개의 존(zone) 중 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상인 존의 상기 변풍량 터미널 유닛의 풍량만을 일정 비율로 증가시키는 제1단계(S310); 상기 급기댐퍼(310)의 개도율이 100%에 도달한 상태에서도 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상인 경우, 상기 배기덕트(200) 및 외기덕트(100) 사이에 리턴패스(101) 상에 설치된 리턴댐퍼(111)의 개도율을 증가시켜 순환되는 리턴풍량을 일정 비율로 증가시키는 제2단계(S320); 상기 리턴댐퍼(111)의 개도율이 100%에 도달한 상태에서도 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상이거나, 실내 이산화탄소 센서(441) 및 환기 이산화탄소 센서(442)에서 측정된 농도가 모두 기준치 이상인 경우, 외기댐퍼(110)의 개도율을 증가시켜 외기도입율을 일정 비율로 증가시키는 제3단계;로 이루어진다.
다시 말해, 본 발명에서 상기 환기모드는 먼저 이산화탄소 농도가 기준치 이상인 존의 변풍량 터미널 유닛(T)의 풍량을 조절하고, 이렇게 하더라도 이산화탄소 농도가 기준치 이하로 떨어지지 않으면, 공조기의 리턴댐퍼(111)의 개도율을 증가시켜 리턴풍량을 증가시키고, 그 결과에 따라 외기도입 여부를 결정하게 된다.
이에 따라, 본 발명은 기존에 무조건 외기도입량을 증가시켰던 방법에 비해 냉ㆍ난방 에너지를 절감할 수 있도록 한다.
상기 환기모드에서는 변풍량 터미널 유닛(T)의 풍량이 기존 풍량에서 일정 비율만큼 점차 증가 하여 실내로 공급된다.
예를 들어, 터미널 유닛의 풍량은 기존 풍량에서 최대풍량의 10%씩 증가하며 공급되고, 실내 이산화탄소 농도가 기준 이하로 낮아질 때까지 증가하게 된다.
상기 환기모드는 실내 이산화탄소 농도가 설정농도 이하가 될 때 중지되며, 이후에 변풍량 터미널 유닛(T)의 풍량은 실내 온도에 따른 풍량으로 공급된다.
상술한 바와 같이, 실내 이산화탄소 농도를 제어하기 위하여 풍량을 증가시키게 되면 실내 부하가 요구하는 풍량보다 필요 이상 공급되어 냉난방 에너지가 낭비된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 실내 CO2 농도를 제어하지 못하여 변풍량 터미널 유닛 시스템이 환기 모드로 작동할 경우 실내 설정 온도를 유지할 수 있도록 하기의 수학식 7을 이용하여 공급온도를 재설정한다.
Figure pat00030
(V : 공급 풍량) (수학식 7)
즉, 환기모드 작동 시 재열코일의 급기 설정온도는 상기 수학식 7에 의하여 재설정 되고, 환기모드가 끝날 경우 재열코일의 급기 설정온도는 난방모드를 따른다.
일반적으로, 여름철 냉방모드 시에는 풍량이 증가하면서 외기가 도입되므로, 이산화탄소 농도가 1000ppm 이상으로 올라가는 경우가 거의 없다. 따라서 환기모드는 난방모드 후에 수행되는 경우가 대부분이다.
다음으로, 본 발명의 공기조화 시스템 제어방법은 환기모드 수행으로 이산화탄소 농도가 설정농도 이하로 내려가면 실내온도에 따라 냉ㆍ난방모드를 재설정하는 단계(S400)를 수행하게 된다.
본 발명의 공기조화 시스템 제어방법은 상기 냉방모드 또는 난방모드와 함께 환기모드를 반복적으로 수행하며 실내 온도 및 공기질을 쾌적하게 유지시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 공기조화 시스템 제어방법은 공조기를 연계하여 변풍량 터미널 유닛 시스템의 최소풍량 제어 및 실내 이산화탄소 농도를 제어하되, 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상인 존(zone)의 변풍량 터미널 유닛의 풍량만을 증가시켜 실내 이산화탄소 농도를 제어하고, 변풍량 터미널 유닛의 제어만으로 실내 이산화탄소 농도가 제어되지 않을 경우, 배기덕트 내 환기 이산화탄소 농도가 기준 이하이면, 리턴 댐퍼 개도율을 증가시켜 리턴 풍량을 이용하여 전체 공급 풍량을 증가시킴으로써, 냉난방 에너지 및 공조 에너지 절감할 수 있다는 장점이 있다.
즉, 본 발명은 실내 이산화탄소 농도가 기준 이상인 경우, 무조건 신선 외기를 도입하는 것을 지양하여 불필요한 냉난방 에너지 공조 에너지 절감할 수 있다.
아울러, 본 발명은 실내부하 및 실내 환기량을 고려하여 환경에 따라 유동적인 최소풍량을 바탕으로 실내 이산화탄소 농도의 문제 발생 시 터미널 유닛의 풍량을 제어함으로써, 실내 공기질을 개선하여 쾌적함을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 유동적인 최소 풍량의 적용으로 인해, 재실인원이 없을 경우에도 에너지가 낭비되던 것을 방지하고, 변풍량 터미널 유닛의 재열 에너지 및 공조기의 팬 에너지 등을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법에 대한 시뮬레이션 평가에 관한 것으로, 도 5는 시뮬레이션 스케쥴을 나타낸 도면을, 도 6은 단일 덕트 변풍량 터미널 유닛 시스템의 개략도를, 도 7은 Trnsys를 통해 구현한 시뮬레이션 다이어그램을 나타낸다.
먼저 도 5를 참조하면, 도 5-(a)는 근로일(Working days)을, 도 5-(b)는 비근로일(Weekends)을 각각 나타내며, 부하 예측 모델이 적용된 변풍량 터미널 유닛 제어 방안 평가를 위해 시뮬레이션 프로그램은 TRNSYS 17을 사용하였다. TRNSYS는 건물 상세 해석 프로그램으로서 사용자가 컴포넌트(Component)들을 서로 연결하여 시뮬레이션을 수행하게 된다. 아울러 건물의 모델링은 Google Sketch Up 프로그램을 통하여 대상건물을 모델링 하였고, 건물의 상세정보는 TRNBuild를 통하여 입력하였다. 건물의 HVAC 시스템은 TRNSYS의 Simulation studio를 통하여 모델링하였다. 이때 TRNSYS는 건물 상세 해석 프로그램으로서 사용자가 컴포넌트(Component)들을 서로 연결하여 시뮬레이션을 수행하게 된다.
이때 대상건물은 경상북도 경산시에 위치한 Y대학 내 건물을 선정하였다. 시뮬레이션 대상 공간은 연구 및 실험실 용도로 사용 중이며, 단일덕트 변풍량 시스템이 설치되어 있다. 대상공간의 모델링을 위한 상세 입력 값은 아래의 표와 같다.
List Contents
Buildings Location
Use
Space size		 Gyeongsan, Korea
Laboratory
5.4mㅧ7.2mㅧ3m
System AHUs
Terminal unit		 Single duct VAV system
Terminal unit with reheat coil
Operating
conditions 		Schedule
Set point temperature		 24 hours
24℃
Load
conditions 		Occupant

Light
Equipment		 Seated, Light work, typing 150W/person
3W/m2
16W/m2
아울러 대상 공간은 공조 실험을 위한 연구 및 실험실로서, HVAC 실험 장비가 구축되어 있을 수 있다. 그리고 상기 대상 공간은 공조장치로 단일 덕트 변풍량 시스템이 구축되어 있다. 이때 상기 단일 덕트 변풍량 시스템은 도 6에서 도시되어 있다.
이어 도 6을 참조하면 각 존별 터미널 유닛에서 필요 풍량을 산정한 후 공조기의 풍량을 산출하여 공급 팬을 제어하도록 이루어질 수 있으며, 각 존별 필요 풍량에 대하여 터미널 유닛의 댐퍼를 제어하도록 이루어질 수 있다. 그리고 실내 온도가 설정온도 이하로 내려갈 경우 터미널 유닛은 난방모드로 변환되어 재열코일이 작동할 수 있다. 존에서 환기되는 풍량은 컨트롤러에서 외기도입량을 산정한 뒤 전체 풍량에서 외기도입량의 차이만큼을 리턴풍량으로 사용하며, 남은 풍량에 대해서는 배기하도록 이루어질 수 있다.
그리고 본 발명은 터미널 유닛의 제어를 통해 실내 환경을 제어할 수 있으며, 열원장치로는 냉온수를 생산할 수 있는 공랭식 히트펌프가 설치될 수 있다. 이와 같은 대상 건물에 설치된 HVAC 시스템 및 부하 예측 모델을 Trnsys 17을 통해 구현하였으며, 사용된 시스템 타입 및 계통의 계략도는 도 7에서 나타나 있다.
도 8은 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법으로, 도 8은 이산화탄소 농도 산정 모델의 개략도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 본 발명은 각 실내에 공급된 환기 풍량을 평가하기 위하여, 시스템 모델과, IAQ 모델을 통합할 수 있다. 그리고 이산화탄소 농도는 일반적으로 재실자와 연관하여 오염물의 발생 및 재실인당 환기율 산정에 필요한 지표이므로, 이산화탄소 농도 산정 모델에서 건물의 오염물질은 대부분 재실자에 의해 발생한다고 가정하고, 아래의 수학식 8과 같이 질량 보존 방정식을 이용하여 모델을 구축하였다. 이때 이산화탄소 농도 산정 모델은 아래의 세 가지를 가정을 통해 이루어져 아래의 수학식 9 내지 수학식 11을 산출할 수 있다.
① 대상공간은 기계환기가 이루어지고 균일하게 혼합된다
② 재실자는 유일한 이산화탄소 발생원이다.
③ 건물의 침기는 고려하지 않는다.
Figure pat00031
(수학식 8)
Figure pat00032
(수학식 9)
Figure pat00033
(수학식 10)
Figure pat00034
(수학식 11)
{여기에서,
Figure pat00035
: 공급 풍량
Figure pat00036
: 환기 풍량
Figure pat00037
: 외기 도입량
Figure pat00038
: 누기량
Figure pat00039
: 공급 CO2 농도
Figure pat00040
: 환기 CO2 농도
Figure pat00041
: 외기 CO2 농도
Figure pat00042
: 재실자당 CO2 발생량
Figure pat00043
: 재실자 수
Figure pat00044
: 시상수(time constant)}
그리고 공조기의 환기 CO2 농도는 아래의 수학식 12 내지 수학식 14를 이용하여 산정 할 수 있다. 각 존의 환기 CO2 농도에 대하여 질량 평형 방정식을 이용하여 공조기 환기 CO2 농도를 산정한다.
Figure pat00045
(수학식 12)
Figure pat00046
(수학식 13)
Figure pat00047
(수학식 14)
그리고 공조기의 급기 CO2 농도는 아래의 수학식 15 내지 수학식 17을 이용하여 산정할 수 있다.
Figure pat00048
(수학식 15)
Figure pat00049
(수학식 16)
Figure pat00050
(수학식 17)
도 9 및 도 10은 앞선 시뮬레이션 과정을 거쳐 나타난 결과에 대한 것으로, 도 9는 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법을 적용한 연간 시뮬레이션 결과를, 도 10은 기존 변풍량 터미널 유닛과 본 발명에 따른 공기조화 시스템 제어방법의 월간 공조 에너지 소비량을 비교한 도면이다.
먼저 도 9를 참조하면, 대상 공간의 실내 환경 평가를 위한 설정값은, 실내온도 24℃, 실내 이산화탄소 농도 1000ppm을 기준으로 하였다. 연중 실내 온도는 24ㅁ1℃를 유지하는 것을 알 수 있었고, 실내 공기질의 경우 최대 650ppm을 유지하며 설정값을 제어하는 것을 확인하였다. 또한 터미널 유닛의 최소풍량의 경우 최대 풍량의 10~25%사이를 나타내며, 기존의 30% 고정된 최소풍량을 사용 하는 것 보다 낮은 풍량으로도 실내 환경을 제어 할 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서 불필요하게 과공급되던 풍량이 재설정 되었으며, 이에 따른 팬에너지, 냉난방에너지 및 재열 에너지의 소비가 감소할 수 있음을 확인하였다.
이어 도 10을 참조하면, 본 발명은 기존 고정된 최소풍량을 사용하는 변풍량 터미널 유닛 대비, 여름철 10~18%, 겨울철 28~38%의 공조 에너지 소비량이 절감되고, 연간 약 20%의 에너지 소비량을 절감 할 수 있는 것으로 결과가 산출되었다.
발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 공기조화 시스템
T : 변풍량 터미널 유닛
A : 공조기
100 : 배기덕트 110 : 배기댐퍼
200 : 외기덕트 210 : 외기댐퍼
300 : 급기덕트 310 : 급기댐퍼
410 : 풍량센서 420 : 공급온도센서
430 : 실내온도센서
441 : 실내 이산화탄소 센서 442 : 환기 이산화탄소 센서
451 : 배기 댐퍼 액추에이터 452 : 외기 댐퍼 액추에이터
453 : 급기 댐퍼 액추에이터
460 : 재열 코일 밸브
470 : 재열 코일
481 : 공급팬 가변 주파수 제어장치
482 : 공급팬
510: 변풍량 터미널 유닛 제어부 510 : 공조기 제어부
S100 : 냉ㆍ난방 모드 설정 단계
S200 : CO2 농도측정 단계
S300 : 환기모드 설정 단계
S400 : 냉ㆍ난방모드를 재설정하는 단계

Claims (8)

  1. 풍량센서(410), 공급온도센서(420), 실내온도센서(430) 및 실내 이산화탄소 센서(441)를 통해 전달받은 정보를 바탕으로 급기댐퍼 액추에이터(453) 및 재열 코일 밸브(460)의 작동을 조절하는 변풍량 터미널 유닛 제어부(510)와, 상기 변풍량 터미널 유닛 제어부(510) 및 배기덕트(100) 내에 설치된 환기 이산화탄소 센서(442)를 통해 전달받은 정보를 바탕으로 배기댐퍼 액추에이터(451), 외기댐퍼 액추에이터(452), 공급팬 가변 주파수 제어장치(481)의 작동을 조절하는 공조기 제어부(520)를 포함하여 형성되는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법에 있어서,
    실내온도에 따라 냉방모드 또는 난방모드를 선택하는 냉ㆍ난방 모드 설정 단계(S100);
    실내온도가 실내 설정온도에 도달하면 실내 이산화탄소 농도를 측정하는 CO2 농도측정 단계(S200); 및
    실내 이산화탄소 센서에서 측정된 농도가 설정농도보다 큰 경우, 환기모드가 설정되는 단계(S300); 를 포함하되,
    상기 냉방모드, 난방모드 및 환기모드는 난방부하 또는 환기를 고려한 최소 풍량을 통해 결정된 변풍량 터미널 유닛(T)의 최소 풍량을 적용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 환기모드가 설정되는 단계(S300)는
    다수개의 존(zone) 중 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상인 존의 상기 변풍량 터미널 유닛의 풍량만을 일정 비율로 증가시키는 제1단계(S310);
    상기 급기댐퍼(310)의 개도율이 100%에 도달한 상태에서도 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상인 경우, 상기 배기덕트(200) 및 외기덕트(100) 사이에 리턴패스(101) 상에 설치된 리턴댐퍼(111)의 개도율을 증가시켜 순환되는 리턴풍량을 일정 비율로 증가시키는 제2단계(S320);
    상기 리턴댐퍼(111)의 개도율이 100%에 도달한 상태에서도 실내 이산화탄소 농도가 기준치 이상이거나, 실내 이산화탄소 센서(441) 및 환기 이산화탄소 센서(442)에서 측정된 농도가 모두 기준치 이상인 경우, 외기댐퍼(100)의 개도율을 증가시켜 외기도입율을 일정 비율로 증가시키는 제3단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 변풍량 터미널 유닛(T)의 최소 풍량은
    난방부하를 고려한 최소 풍량과 환기를 고려한 최소 풍량 중 큰 값을 이용하며, 난방부하를 고려한 최소 풍량과, 환기를 고려한 최소 풍량은 하기의 수학식 1 내지 6에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법.
    Figure pat00051
    (수학식 1)
    Figure pat00052

    Figure pat00053

    Figure pat00054
    (수학식 2)
    Figure pat00055

    Figure pat00056

    Figure pat00057

    Figure pat00058
    (수학식 3)
    Figure pat00059
    (수학식 4)
    Figure pat00060
    (수학식 5)
    Figure pat00061
    (수학식 6)
    Figure pat00062

    Figure pat00063

  4. 제 3항에 있어서,
    상기 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법은
    상기 환기모드 수행 시 공급온도가 재설정되며,
    상기 공급온도가 하기의 수학식 7에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 변풍량 시스템의 이산화탄소 통합 제어 방법.
    Figure pat00064
    (V : 공급 풍량) (수학식 7)
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 냉ㆍ난방 모드 설정 단계(S100)는
    실내온도가 실내 냉방 설정온도보다 높을 경우, 냉방모드가 설정되며,
    실내온도가 실내 난방 설정온도보다 낮을 경우, 난방모드가 설정되는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 냉방모드에서는
    풍량이 냉방 부하에 의해 결정되며,
    변풍량 터미널 유닛(T)의 최대 풍량 및 최소 풍량 사이에서 실내 설정온도를 유지하기 위해 외기댐퍼(210), 배기댐퍼(110), 급기댐퍼(310) 및 공급팬(482)이 작동되는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템 제어방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 난방모드에서는
    상기 수학식 1 내지 수학식 6에 의해 난방부하를 고려한 최소 풍량과, 환기를 고려한 최소 풍량 중 큰 값으로 결정된 최소 풍량으로 풍량이 결정되며,
    급기 설정 온도 유지를 위해 재열 코일 밸브(460)가 작동되는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템 제어방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 공기조화 시스템 제어방법은
    환기모드 수행으로 이산화탄소 농도가 설정농도 이하로 내려가면 실내온도에 따라 냉ㆍ난방모드를 재설정하는 단계(S400); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템 제어방법.
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