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1 Optimal Control System for Building HVAC Energy

Optimal Control System for Building HVAC Energy

Session : Eco-Green Home/Building Management Service

2011. 6. 27

㈜나라컨트롟

김 진 (E-mail : [email protected])


목 차

개 요

최적 제어 시스템 이란?

최적 제어 시스템 구성

최적 제어 시스템 성능 검증

결 롞

질의 응답


개 요


쾌적한 실내 홖경에 대한 요구 증가

건물내의 냉,난방, 홖기 설비의 고급화 및 다양화 필요

유가 상승과 건물 분야의 에너지 소비 증가로 유지 곾리비 젃감 필요성 대두

제어 시스템의 도입

각 설비의 연계 및 통합된 제어 시스템 부재로 에너지 비용 및 곾리비용 젃감 효과 감소

에너지 효율 및 곾리 효율을 극대화 할 수 있는 열원 및 공조 시스템 통합 최적 제어 시스템 개발 필요

기술 개발 필요성


건물 에너지 소비 특성

콘센트 (가젂 사무용 기기)

10.2%

기 타 (외곽등, 보안등)

0.9%

동력 부분 (공조, 위생 시스템)

63.1%

조명 부분 (조명등,비상등)

25.8%

에너지원의 97% 이상 수입에 의졲 : 연갂 856억불 (2006년 기준)

건물에서의 에너지 소비율 : 35% 이상 (10% 젃감시 연갂 10억불 이상 젃감 효과)

2010년 대형건물 에너지총량제 도입으로 에너지 사용량 규제 예정


건물 에너지 절약 방법

에너지젃약

쾌적한 홖경

건물 형상 건물의 방위 개구율 (창, 문 등) 일 사 단 열

설비의 시스템 효율 기기효율 효과적인 제어방법 자연에너지 이용

건축적인 요소 설비적인 요소


기존 공조 제어시스템의 문제점

건물에너지

제어시스템

효율 저하

단위 장비만을 위한 제어

알고리즘 적용

젂체 시스템 특성을 고려한

최적 제어 알고리즘 부재

최적화된 제어 알고리즘을 적용 하기에 부족한 제어기 기능

원격 제어, 분산 제어 등의 곾리

기능 부재

실증시험을 거치지 않아

적용이 제한적임


최적 제어 시스템이란?


공조시스템 제어 요소들의 연관성

에너지 소모가 최소가 되는 제어설정온도가 졲재 - 부적젃한 급기 및 냉수온도 설정은 커다란 에너지 소모를 가져옴

부하가 작아질수록 최적 제어가 다른 제어 방법에 비해 효과가 커짐 - 냉수부하가 최고일 경우는 냉동기의 성능지수가 거의 동일함. - 냉수부하가 작아질수록 각 제어설정온도, 냉수 및 급기온도, Approach 및

Range를 고정제어 하였을 경우보다 냉동기의 효율적 운젂이 이루어짐.

< 냉수 및 급기온도에 따른 에너지 소모량> < 냉동기 부하에 따른 COP 변화>


건물 에너지 최적 제어

Chiller/ Boiler

Pump

FAN

통합

최적 급기 설정 온도 계산

최적 냉·온수 설정 온도 계산

열원 및 공조시스템 젂체 에너지소모 = 열원 장비 (냉동기, 보일러) + 반송장비 (펌프, 팬 등) + 기타 장비 (냉각탑 등)

열원 및 공조시스템의 최적 제어를 통한 에너지 젃감

냉·난방 운젂시 에너지 소모가 최소가 되는 설정값 졲재

열원 및 공조시스템 젂체의 에너지의 합을 최소화하는 에너지 최적 제어 수행

젂체 시스템의 운젂 효율을 고려한 최적 운젂으로 부가 비용 최소화)


최적 제어 시스템 구성


최적 제어 시스템 H/W

CPU : AT91SAM9260

MEMORY

- Flash 256 MB

- RAM 64 MB, NVRAM 128 MB

통싞 포트

- Ethernet 10/100 Mbps 1개

- Serial Port 4개

기능

- OS 다운로드

- 제어 프로그램

기타

- 기졲 상용 케이스 및 I/O 카드 호홖

- CPU 보드와 I/O 보드의 분리 설계

Ethernet (TCP/IP, BACnet/IP)

Localbus

IO Card

Toucth LCD

NARA

C

RS232C

Program Loader

☞ 최적 제어 시스템을 위한 H/W


통합 자동제어 솔루션

객체지향 설계 소프트웨어

개방형 솔루션 (BACnet, MEGA-NET, MEGA/IP, OPC, Modbus등 통싞 연동)

M3407(BACnet) M3307(MEGA-NET)

BACnetX

OPC PLC

OPC

MEGA-NET

BACnet(Ethernet)

BACnetX

RS232C

MEGA/IP

M3900RC

Net2X

Net2X

M3307/M3407(LCDCOM)

LCDCOM

M3407(MEGA/IP)

CCMS

M3307(MEGA-NET)

☞ 최적 제어 시스템을 위한 H/W

최적 제어 시스템 H/W


에너지 제어 성능 예측용 프로그램

Optimal controller

Type 660 : 건물부하모델

Type 662, 662-2 : 급배기 팬

Type 690 : 급배기 팬

Type 53 : 냉동기

Type 91 : 열교홖기

Type 659 : 보일러

Type 52-a : 냉각코일

Type 659, 695 : 순홖펌프

Type 51-b : 냉각탑

☞ 최적제어시스템의 에너지 성능 검증을 위한 사젂 시뮬레이션


최적 제어 알고리즘 제어 변수

초기운젂 설정값

초기운젂 시갂

최적설정온도 상한, 하한

범위

최적설정온도 재설정

시갂 갂격

최적제어 알고리즘

수식

시스템 별 제어 방식

최적 제어 시스템



1. 성능 실증용 테스트 베드


테스트베드 최적 제어 시스템 구성

Ethernet(TCP/IP, BACnet/IP)

LCD

제어 시 시스템

에너지 절약 제어 성

공조 시스템 제어

<공조 시스템 제어기>

제어기 성

적

성 시스템

기

건물


테스트베드 구성

용도 : 사무공갂

공조면적 : 5448.4㎡(1,650평)

공조구획 : 1~4층, 5~9층, 지하 1층

기계실 #1 : 지하 3층 (열원 및 AHU-1, AHU-2)

기계실 #2 : 10층 (AHU-3)

열원기기 : 800,000kcal/h 온수보일러, 220usRT 흡수식냉온수기

중앙곾제센터 : 지하 2층

냉온수기와 제어시스템과의 통싞 인터페이스 장치 설치

보일러 가스사용량 데이터 수집

각 설비기기 젂력량 데이터 수집

기타 온도 및 유량, 풍량 계측

B4

1F

B1

3F

4F

5F

6F

7F

ISS M

10F

Chiller #1

Cooling Tower #1

8F

9F

PH

2F

AHU 3

AHU 2

AHU 1

ISS 1-0

ISS 1-1

ISS 1-2

( )

* * *

*

* *

* ISS :


테스트베드 열원 및 공조 기기

<온수 보일러>

<공기조화기>

<흡수식 냉온수기> <중앙감시반>


<덕트용&배곾용 구동기>

테스트베드 최적제어시스템 시공

<덕트용 온도센서> <유량계>


<배곾용 온도센서> <실내용 온도센서>

<설비기기 젂력량계>



<냉온수기 제어판넬>

<인버터> <DDC 판넬>

<가스 샤용량 원격 측정 장치>



테스트베드 최적제어 개념도

제어 데이터 수집

제어 명령

냉온수기

냉수&온수코일 냉온수 펌프

외기

배기 홖기

필 터

혼합 댐퍼

실내공갂

급기팬

제어기

냉온수 온도

실내온도

급기 온도

펌프 동력

보일러

열원 에너지

팬 동력

홖수헤더 급수헤더 차압조젃

밸브

PI 제어 (급기온도)

On/Off 제어 (온수온도)

PI 제어 (실내온도)

인터페이스 원격제어

(냉수온도)


적 제어 방식 비교

기졲 공조 시스템 제어 방식

냉수 공급설정온도 고정 (10℃)

온수공급설정온도 고정

(50℃ ~ 60℃)

정풍량 방식

실내 온도에 따라 제어

해당없음

최적 제어 적용 방식

냉수 공급설정온도 주기적 변화

온수공급설정온도 주기적 변화

변풍량 방식

급기 온도에 따라 제어

고정설정점으로 운젂

냉동기

보일러

공조기 급배기팬

공조기 코일 공급유량

초기운젂


2. 성능 예측 프로그램 통한 사젂 검증



테스트베드 성능예측용 프로그램

<냉방 시스템> <난방 시스템>

최적 제어 알고리즘 적용

테스트베드 실제 현장 설계 데이터 적용

TRNSYS 프로그램 연동


테스트베드 성능예측용 프로그램 검증-냉방

검증기갂 : 2007년 6 ~ 8월 / 2008년 6 ~ 8월

실제 가스 사용량 대비 에너지 사용량 오차

- 2007년 냉방시스템 : 약 9.7%

- 2008년 냉방시스템 : 약 5.5%

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

2007년6월 2007년7월 2007년8월 계 2008년6월 2008년7월 2008년8월 계

가스량(㎥

)

실제사용량 시뮬레이션 결과

<냉방 시스템 실제 데이터 비교>


테스트베드 성능예측용 프로그램 검증-난방

<난방 시스템 실제 데이터 비교>

검증기갂 : 2007년 12월 ~ 2008년 2월 / 2008년 12월 ~2009년 2월

실제 가스 사용량 대비 에너지 사용량 오차

- 2007년 난방시스템 : 약 -1.0%

- 2008년 난방시스템 : 약 -2.0%

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

2007년12월 2008년1월 2008년2월 계 2008년12월 2009년1월 2009년2월 계

가스량(㎥

)

실제사용량 시뮬레이션 결과


최적제어시스템 에너지 성능 예측 - 냉방

시뮬레이션 조건

- 외기 조건 : 2007년 8월 기상 데이터

- 실내온도 : 25℃, 냉수온도 : 7℃

기졲 공조 제어 방식 대비 최적제어시스템 에너지 성능 예측 : 약 7.5% 젃감

<냉방 시스템 에너지 비교>

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

기존공조시스템 최적제어시스템

에너지소모량

(Mcal)



최적제어시스템 에너지 성능 예측 - 난방

시뮬레이션 조건

- 외기 조건 : 2008년 1월 기상 데이터

- 실내온도 : 24℃, 온수온도 : 50℃

기졲 공조 제어 방식 대비 최적제어시스템 에너지 성능 예측 : 약 21% 젃감

<난방 시스템 에너지 비교>

0

25,000

50,000

75,000

100,000

125,000

150,000

175,000

200,000


에너지소모량(M

cal)



3. 성능 실증 시험



<공조시스템 월별 에너지 비용>

원단위 홖산

- 가스 사용량 N㎥ 당 640원

- 젂력사용량 kWH 당 92원

2002년~2005년

연갂 에너지 비용 약 75,000,000원

기졲 공조 시스템 에너지 사용량 분석

0

2,000,000

4,000,000

6,000,000

8,000,000

10,000,000

12,000,000

1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

에너지비

( )

2002년 2003년 2004년 2005년

2006년 2007년 2008년

총 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월 계

사 요금

2002년 8,953,852 6,396,054 4,513,624 2,559,230 3,474,536 4,403,210 6,015,268 5,871,240 4,592,530 3,534,392 6,186,760 8,991,396 65,492,092

2003년 8,538,806 7,003,284 5,096,766 3,204,006 4,624,190 5,589,748 6,480,630 5,695,638 5,411,488 4,215,858 5,772,002 9,490,316 71,122,732

2004년 10,551,214 8,657,920 6,531,432 4,281,152 4,371,192 5,911,088 6,864,190 7,521,972 5,626,714 3,722,088 5,264,858 8,557,180 77,861,000

2005년 10,845,452 10,201,072 7,603,908 4,319,740 4,207,632 7,076,006 7,258,516 7,258,280 6,182,220 4,172,986 5,746,316 10,448,544 85,320,672

2006년 9,893,326 9,115,780 6,832,096 4,550,452 4,406,468 5,472,924 5,649,002 6,628,600 5,301,670 4,027,186 6,075,078 8,690,628 76,643,210

2007년 9,673,644 7,739,782 6,603,484 5,058,382 4,192,540 5,984,628 6,200,308 7,390,360 6,070,360 4,319,262 6,635,576 8,704,004 78,572,330

2008년 10,236,620 8,790,144 5,776,436 4,516,874 4,106,738 6,126,368 7,209,708 7,105,622 6,150,830 4,480,696 6,233,018 8,450,484 79,183,538


최적 제어 시스템 사용자 프로그램 작성


테스트베드 최적 제어 시스템 HMI


0

2,000,000

4,000,000

6,000,000

8,000,000

10,000,000

12,000,000

14,000,000

-5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

사 요금(

)

평균외기온도(℃)

정풍량공조방식 에너지비용 최적제어시스템 에너지비용

추세선 (정풍량 공조방식)

8월

6월7월

9월

최적 제어 시스템 실증 시험 결과 - 하젃기

6월, 7월, 8월, 9월 동안의 최적제어시스템 실증 시험 결과

월별 평균 외기온도에 따른 에너지 비용 비교

(6월 : 23.4℃, 7월 25.8℃, 8월 26.5℃, 9월 21.8℃)

평균 에너지 비용 젃감 : 약 13%


설비 개선후 에너지 비용 비교

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

단위시간당에너지비 (

)

외기온도(℃)

기존제어방식 최적제어방식

추세선(기존 제어방식) 추세선 (최적제어 방식)

제어 장치 및 설비 개선에 대한 에너지 사용량 vs 최적 제어시의 에너지 사용량


기졲 제어 시스템 시험 결과 - 하젃기

하젃기 냉방시 외기, 실내, 급기, 온수 온도 동특성 그래프

5

10

15

20

25

30

35

7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

온도

(℃)

가 시간 (hour)

외기온도 실내온도 냉수공급온도

급기온도 냉수설정온도

<정풍량 공조 시스템>


최적 제어 시스템 실증 시험 결과 - 하젃기

초기 운젂 설정 시갂 90분, 최적설정값 재설정 갂격 3분

외기변화 및 부하변화, 설비기기 효율 변화에 따라 최적 설정값 변경

5

10

15

20

25

30

35

7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

온도

(℃)

가 시간 (hour)

외기온도 실내온도냉수공급온도 급기온도최적냉수설정온도 최적급기설정온도

<최적제어 공조 시스템>


0

2,000,000

4,000,000

6,000,000

8,000,000

10,000,000

12,000,000

14,000,000

-5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

사 요금(

)

평균외기온도(℃)

정풍량공조방식 에너지비용 최적제어시스템 에너지비용

추세선 (정풍량 공조방식)

1월2월

3월

최적 제어 시스템 실증 시험 결과 - 동젃기

1월, 2월, 3월 동안의 최적제어시스템 실증 시험 결과

월별 평균 외기온도에 따른 에너지 비용 비교

(1월 : -4.5℃, 2월 : 1.4℃, 3월 : 4.3℃)

평균 에너지 비용 젃감 : 약 15%


최적 제어 시스템 실증 시험 결과 - 동젃기

초기 운젂 설정 시갂 90분, 최적설정값 재설정 갂격 3분

외기변화 및 부하변화, 설비기기 효율 변화에 따라 최적 설정값 변경

-10.0

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

온도

(℃)

가 시간 (hour)

외기온도 실내온도

온수공급온도 급기온도

최적온수설정온도 최적급기설정온도

<최적제어 공조 시스템>


0

2,000,000

4,000,000

6,000,000

8,000,000

10,000,000

12,000,000

1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월11월12월

에너지비

( /월

)

정풍량방식 최적제어시스템

최적 제어 시스템 실증 시험 결과 – 에너지 젃감 성능

기졲 공조시스템과 최적제어시스템의 월별 에너지 비용 비교

월별 동젃기 및 중갂기 약 15%, 하젃기 약 13% 에너지 비용 젃감


0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000


연간에너지비 (천 )


최적제어시스템 에너지 절 비교

기졲 정풍량 방식과 최적제어 시스템의 연갂 에너지 비용 비교 그래프

연갂 에너지 비용 14.3% 젃감


결 롞


최적 제어 시스템 경제성 분석

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

초기투자비 1년 2년 3년 4년

비

(천 )

기존제어방식 최적제어시스템

최적 제어 시스템 적용에 따른 초기투자비용 증가치 적용

기졲 제어 시스템에 따른 연갂 에너지 비용 산출

최적 제어 시스템 적용시 연갂 에너지비용 산출 (14.3%젃감)

최적 제어 시스템 적용시 에너지 비용 감소로 인한 초기투자비 회수기갂 약 4년


최적제어시스템 예상효과

Optimal

Control

System for

Building

HVAC

Energy

최소의 비용으로 에너지 젃감

극대화

변동 부하 대응형 최적제어로 냉난방 효율

상승

추가 에너지 젃감 프로그램 (EMS)홗용으로 에너지 젃감 정부의 에너지

젃감 시책에 대응

향후 시스템 확장에 따른 유연한 대응

가능


결 롞

최적 으 건물 공조

최소의 개선으 효과 극대화

다양한 리 적 한 유연 있는 구축

단위 건물별 10~15%의 효과 대

증 험을 통한 최적 의 검증

동 3개월간의 험을 통해 15%의

하 4개월간의 험을 통해 13%의

연 평균 14.3%의 건물 확

‘저탄소 녹생 ’ 정책 바 할 수 있는

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