KR101170743B1 - 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템 및 방법 - Google Patents

건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건물 에너지 관리 시스템(BEMS)을 통해 건물의 기계설비에 포함되는 냉동기 상태정보를 실시간 또는 취득된 데이터를 분석하여 최적의 운전 상태를 유지하도록 하기 위한 것으로, 상기 냉동기의 상태정보를 디지털 데이터화하여 하기 건물 에너지 관리 시스템 서버로 전달하기 위한 기계설비수단과, 상기 기계설비수단으로부터 전달받은 상기 냉동기 상태정보를 분석하여 하기 자동 제어 수단으로 분석데이터를 전달하기 위한 건물 에너지 관리 시스템 서버와, 상기 분석데이터에 따라 상기 냉동기의 COP가 향상되어 운전되도록 동작을 제어하기 위한 자동 제어 수단을 포함하는 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템 및 그에 따른 냉동기 최적 운전 방법을 제공한다.

Description

건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템 및 방법{System and Method of Optimum Operation of Refrigerator Using Building Energy Management System}
본 발명은 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건물 에너지 관리 시스템(Building Energy Management System, 이하 “BEMS”라 함)을 통해 건물의 기계설비에 포함되는 냉동기 상태정보를 실시간 또는 누적(취득)된 데이터를 분석하여 최적의 운전 상태를 유지하도록 하는 냉동기 최적 운전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 건물의 수가 늘어가고 있으며, 각 건물은 냉난방 및 시설의 운영에 많은 에너지를 사용하고 있다.
건물에서 소비되는 에너지 사용량은 2000년에 발표된 자료에 따르면 국가 전체 에너지 사용량 중 약 22.3%를 차지하고 있으며 해마다 늘어나고 있는 추세여서 국가 산업 및 경제 전반에 크게 영향을 미치는 문제로 대두되고 있다.
그리고, 건물 소유주 입장에서 건물의 에너지 소비량은 곧바로 금전적인 지출과 연결되므로 비효율적인 건물의 에너지 소비는 건물 소유주에게 상당한 금전적 부담을 주는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 건물에서 소비하는 에너지의 사용을 효율적이고 체계적으로 관리하는 것이 요구된다.
그러나, 현재 각 건물의 운용 특히 냉동기 운전은 냉방을 요구하는 조건이 되면 건물에 설치된 냉동기 모두를 가동시키고 있으며, 운전자가 내부 온도가 너무 높거나 낮다고 느끼거나 실내 거주자의 요청(Complain)이 있을 경우, 그때서야 냉동기의 출력을 조절하는 방법으로 하고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 건물의 냉동기를 체계적인 데이터에 근거하여 분석한 후, 효율적으로 가동시켜 에너지 소비량을 줄일 수 있는 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 냉동기의 성능을 확인할 수 있는 데이터를 최대한 활용하여 장비의 열화특성을 판단하여 유지보수를 적정하게 함으로서, 장비 수명을 연장할 수 있게 하는 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 본 발명의 목적은, 건물 에너지 관리 시스템(BEMS)을 통해 건물의 기계설비에 포함되는 냉동기 상태정보를 실시간으로 분석하여 최적의 운전 상태를 유지하도록 하는 냉동기 최적 운전 시스템에 있어서, 상기 냉동기의 상태정보를 파악하고 디지털 데이터화하여 하기 건물 에너지 관리 시스템 서버로 전달하기 위한 기계설비수단; 상기 기계설비수단으로부터 전달받은 상기 냉동기 상태정보를 분석하여 하기 자동 제어 수단으로 분석데이터를 전달하기 위한 건물 에너지 관리 시스템 서버; 및 상기 분석데이터에 따라 상기 냉동기의 COP가 향상되어 운전되도록 동작을 제어하기 위한 자동 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템에 의해 달성된다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 냉동기의 운전 상태에 따른 소비 전력량을 측정하여 상기 건물 에너지 관리 시스템 서버로 전달하기 위한 전기설비수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 냉동기 상태정보는, 부하율 변화에 따른 냉동기 성능계수(COP) 정보, 냉각수 온도 변화 및 냉동기성능 변화 정보, 유량과 소비전력량의 상관관계 정보, 부하율 발생 시간을 통한 펌프 선정의 적정성 및 효율 분석 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 건물 에너지 관리 시스템 서버의 분석 데이터는 냉동기의 COP가 향상된 최적의 운전 상태 정보 데이터인 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명의 목적은, 건물 에너지 관리 시스템(BEMS)을 통해 건물의 기계설비에 포함되는 냉동기 상태정보를 실시간 또는 취득된 데이터를 분석하여 최적의 운전 상태를 유지하도록 하는 냉동기 최적 운전 방법에 있어서, (a) 기계설비수단이 상기 냉동기의 상태정보를 디지털 데이터화하여 건물 에너지 관리 시스템 서버로 전달하는 단계; (b) 상기 건물 에너지 관리 시스템 서버가 상기 기계설비수단으로부터 전달받은 상기 냉동기의 상태정보를 분석하여 자동 제어 수단으로 분석데이터를 전달하는 단계; 및 (c) 상기 자동 제어 수단이 상기 분석데이터에 따라 상기 냉동기의 COP가 향상되어 운전되도록 동작을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 방법에 의해서도 달성된다.
또한 본 발명에 따르면, 전기설비수단이 상기 냉동기의 운전 상태에 따른 소비 전력량을 측정하여 상기 건물 에너지 관리 시스템으로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 단계 (b)는, 상기 건물 에너지 관리 시스템 서버가 부하율 변화에 따른 냉동기 성능계수(COP) 정보, 냉각수 온도 변화 및 냉동기성능 변화 정보, 유량과 소비전력량의 상관관계 정보, 부하율 발생 시간을 통한 펌프 선정의 적정성 및 효율 분석 정보 중 적어도 어느 하나를 분석하여 상기 냉동기의 COP가 향상된 최적의 운전 상태 정보 데이터를 자동 제어 수단으로 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템 및 방법에 의하면, 냉동기의 확인 가능한 데이터가 건물 에너지 관리 시스템에 의해 분석되고 자동 제어 수단에 의해 최적 운전 상태로 동작되도록 하여 효과적인 냉동기의 운전이 가능하게 됨으로써, 에너지 낭비를 방지 및 장비수명 연장 등 건물의 운용 비용을 절감시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉동기 COP와 냉각수 온도의 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉동기 COP와 부하들의 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유량과 소비 전력량의 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 WTF와 부하율 및 발생시간과의 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 운전 패턴 분석을 위한 시스템 COP와 냉열원부하와의 관계를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열원시스템 COP와 부하율의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열원시스템 COP와 외기온도의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최적 효율 운전 패턴을 선정하기 위한 데이터 시트.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 방법을 나타낸 흐름도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 건물 에너지 관리 시스템(BEMS)을 통해 건물의 기계설비수단(100)에 포함되는 냉동기(102)의 상태정보를 실시간으로 분석하여 최적의 운전 상태를 유지하도록 하는 냉동기 최적 운전 시스템은, 상기 냉동기(102)의 상태정보를 파악하고 디지털 데이터화하여 상기 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)로 전달하기 위한 기계설비수단(100)과, 상기 기계설비수단(100)으로부터 전달받은 상기 냉동기(102)의 상태정보를 분석하여 자동 제어 수단(300)으로 분석데이터를 전달하기 위한 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)와, 상기 분석데이터에 따라 상기 냉동기(102)의 성능계수(COP)가 향상되어 운전되도록 동작을 제어하기 위한 자동 제어 수단(300)과, 상기 냉동기(102)의 운전 상태에 따른 소비 전력량을 측정하여 상기 건물 에너리 관리 시스템 서버(200)로 전달하기 위한 전기설비수단(400)을 포함하여 구성된다.
상기 기계설비수단(100)은 냉동기(102), 보일러(104), 공조기(106) 등의 열원을 제어하기 위한 밸브(108)와, 아날로그적으로 측정된 제어에 필요한 정보를 디지털 양으로 변환하는 DDC(110)와, 상기 DDC(110)로부터 변환된 디지털 데이터를 취합하여 네트워크망(50)을 통해 상기 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)로 전달하기 위한 ICU(intelligent control unit)(114)를 포함하여 구성되며, 부하율 변화에 따른 냉동기의 성능계수(COP) 정보와 냉각수 온도 변화 및 냉동기 성능변화 정보와 유량과 소비전력량의 상관관계 정보와 부하율 발생 시간을 통한 펌프 선정의 적정성 및 효율성에 대한 정보를 수집하여 데이터화 한다.
상기 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)는 에너지 사용분야를 전기, 수도, 냉난방, 조명, 전열, 동력 등으로 세분화해 시간, 날짜, 장소별로 사용내역을 면밀히 분석한 후, 기상청에서 실시간으로 제공받은 날씨 자료를 토대로 냉난방과 조명 여건 등을 예측해 사전에 최적의 조건을 부여하고, 이를 바탕으로 시간, 날씨, 용도에 따라 언제부터 언제까지 냉난방을 공급할 것인지, 얼마의 전력을 사용할 것인지, 어떤 방식을 사용할 것인지 등을 사전 시뮬레이션으로 분석해 가장 적은 에너지로 최대의 효과를 거둘 수 있는 조건을 찾아 제어하는 시스템으로서, 본 발명에서는 층별 관리자 PC(202), 방재실 PC(204), 실시간으로 다양한 정보를 취득하기 위한 웹서버(206)와 냉동기(102)의 최적 운전에 따른 기본 데이터를 저장하기 위한 데이터베이스(DB) 서버(208)가 포함되어 구성되며, 상기 기계설비수단(100)으로부터 전달받은 냉동기(102)의 다양한 데이터 즉, 부하율 변화에 따른 냉동기 성능계수(COP) 정보와, 냉각수 온도 변화 및 냉동기 성능변화 정보와, 유량과 소비전력량의 상관관계 정보와, 부하율 발생 시간을 통한 펌프 선정의 적정성 및 효율성에 대한 정보 데이터를 분석하여 상기 냉동기(102)의 최적 운전 상태를 판단한다.
상기 자동 제어 수단(300)은 기계설비수단(100), 전기설비수단(400), 조명설비수단(미도시) 등의 자동 제어를 위한 PC들로 구성될 수 있는데, 본 발명의 실시 예에서는 냉동기(102) 운전에 따른 효율적 운전 제어와 그에 따라 발생하는 소비전력의 적정상태가 유지되도록 기계설비수단(100)과 전기설비수단(400)을 제어한다.
상기 전기설비수단(400)의 제어는 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)가 상기 전기설비수단(400)으로부터 전달된 소비 전력 사용량 정보를 분석하여 상기 자동 제어 수단(300)으로 전달함에 따라 제어가 가능한데, 이는 냉동기(102)의 COP가 향상된 조건의 최적 운전 상태에 따라 달라지는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉동기 COP와 냉각수 온도의 상관 관계를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉동기 COP와 부하들의 상관 관계를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유량과 소비 전력량의 상관 관계를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 WTF와 부하율 및 발생시간과의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수 온도 변화와 냉동기(102) 성능계수(COP)의 변화와 평균 냉방부하와 최대 냉방부하와의 비율을 나타내는 부하율의 변화에 따라 냉동기 성능계수(COP)를 확인해 보면, 부하율 90%, 냉각수 온도 24?25℃에서 효율이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 냉동기(102)의 유량과 소비전력량의 상관관계를 파악하여 상기 냉동기(102)의 냉매 상태를 파악할 수 있으며, 부하율 발생시간을 통한 펌프 선정의 적정성 및 효율을 분석할 수 있다.
따라서, 냉동기(102)의 최적 운전 상태를 판단하기 위한 확인 가능한 데이터로의 활용이 가능하게 된다.
환경에 따라 상기 냉동기(102)의 최적 운전 상태의 조건이 달라질 수 있기 때문에 상기 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)가 웹 서버(206)의 환경 정보 실시간 업데이트와 현재의 동작중인 냉동기(102)의 최적 운전 상태 정보의 DB 서버(208) 저장을 통해 실시간으로 분석하여 자동 제어 수단(300)으로 데이터를 전달함으로써, 상기 자동 제어 수단(300)에 의해 냉동기(102)가 항상 COP가 향상된 조건으로 운전되도록 제어하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 운전 패턴 분석을 위한 냉동기 COP와 냉열원 부하와의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉동기 COP와 부하율의 상관관계를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉동기 COP와 외기온도의 상관관계를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최적 효율 운전 패턴을 선정하기 위한 데이터 시트이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 냉동기(120)가 1대 내지 3대가 운전될 때, 운전 효율 곡선이 달라지는데, 운전 패턴을 살펴보면, 2대 내지 3대가 동시에 운전되면서 손실이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 최적 추가 운전 점을 선정할 필요가 있는데, 도 7에 도시된 바와 같이, 냉동기(120) 2대가 온(ON) 상태일 때, 운전 손실이 발생하는 제 1과 제 2 곡선의 교차점을 최적 운전 점으로 선정한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 외기온도를 측정하는 백엽상 온도와 냉동기의 상관관계를 나타낸 그래프를 살펴보면 냉동기(102)의 효율적인 COP 점을 판단할 수 있다.
또한, 냉각수 온도 및 부하율에 따라 최적 효율 운전 패턴을 선정하고 운영할 수 있는데, 도 9의 데이터 시트에서와 같이, 열원 시스템 즉 냉동기(102)의 COP가 6.5 이상인 시점의 데이터 확인을 통해 최적 효율 운전 패턴으로 선정할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 기계설비수단(100)은 냉동기(102)의 부하율 변화에 따른 냉동기 성능계수(COP) 정보와, 냉각수 온도 변화 및 냉동기 성능변화 정보와, 유량과 소비전력량의 상관관계 정보와, 부하율 발생 시간을 통한 펌프 선정의 적정성 및 효율성에 대한 정보 데이터를 분석하여 냉동기의 상태를 측정한다(S600).
상기 기계설비수단(100)은 상기 측정된 상태 정보를 DDC(110)를 통해 디지털데이터화하여 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)로 전송한다(S602).
상기 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)는 상기 기계설비수단(100)으로부터 전달받은 냉동기(102)의 상태정보 데이터를 분석하여(S604), 냉동기(102)의 COP가 향상된 최적의 상태로 운전될 수 있는 조건을 판단한다(S606).
상기 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)의 분석을 통해 얻어진 냉동기(102)의 최적 운전 조건에 따른 데이터를 자동 제어 수단(300)으로 전송하여 기계설비수단(100)과 전기설비수단(400)을 제어하도록 한다(S608).
상기 건물 에너지 관리 시스템 서버(200)의 실시간 분석을 통해 냉동기(102)의 COP가 향상된 최적인 운전상태가 판단되어 자동 제어 수단(300)으로 전달됨으로써, 효과적인 냉동기(102)의 운전이 가능하게 되어 에너지 낭비를 방지하고 건물의 운용 비용을 절감시키는 효과가 발생하게 된다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
50 : 네트워크망 100 : 기계설비수단
102 : 냉동기 104 : 보일러
106 : 공조기 108 : 밸브
110, 112 : DDC 114 : ICU
200 : 건물 에너지 관리 시스템 서버
202 : 층별 관리자 PC 204 : 방재실 PC
206 : 웹서버 208 : DB 서버
300 : 자동 제어 수단 400 : 전기설비수단

Claims (7)

  1. 건물 에너지 관리 시스템(BEMS)을 통해 건물의 기계설비에 포함되는 냉동기 상태정보를 실시간 또는 취득된 데이터를 분석하여 최적의 운전 상태를 유지하도록 하는 냉동기 최적 운전 시스템에 있어서,
    상기 냉동기의 상태정보를 파악하고 디지털 데이터화하여 하기 건물 에너지 관리 시스템 서버로 전달하기 위한 기계설비수단;
    상기 기계설비수단으로부터 전달받은 상기 냉동기 상태정보를 분석하여 하기 자동 제어 수단으로 분석데이터를 전달하기 위한 건물 에너지 관리 시스템 서버;
    상기 분석데이터에 따라 상기 냉동기의 COP가 향상되어 운전되도록 동작을 제어하기 위한 자동 제어 수단; 및
    상기 냉동기의 운전 상태에 따른 소비 전력량을 측정하여 상기 건물 에너지 관리 시스템 서버로 전달하기 위한 전기설비수단을 포함하며,
    상기 기계설비수단이 부하율 변화에 따른 냉동기의 성능계수(COP) 정보와 냉각수 온도 변화 및 냉동기 성능변화 정보와 유량과 소비전력량의 상관관계 정보와 부하율 발생 시간을 통한 펌프 선정의 적정성 및 효율성에 대한 정보를 수집하여 데이터화 하고,
    상기 건물 에너지 관리 시스템 서버가 상기 기계설비수단으로부터 전달받은 부하율 변화에 따른 냉동기 성능계수 정보와, 냉각수 온도 변화 및 냉동기 성능변화 정보와, 유량과 소비전력량의 상관관계 정보와, 부하율 발생 시간을 통한 펌프 선정의 적정성 및 효율성에 대한 정보 데이터를 분석하여 상기 냉동기의 최적 운전 상태를 판단하되,
    2개 이상의 냉동기 가동시 운전 손실이 발생하는 제 1과 제 2 곡선의 교차점을 최적 운전 점으로 선정하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템.
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  4. 제 1항에 있어서,
    상기 건물 에너지 관리 시스템 서버의 분석 데이터는 냉동기의 COP가 향상된 최적의 운전 상태 정보 데이터인 것을 특징으로 하는 건물 에너지 관리 시스템을 통한 냉동기 최적 운전 시스템.
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