KR101219641B1

KR101219641B1 - 직접부하제어를 이용한 에어컨의 에너지 절감형 제어방법

Info

Publication number: KR101219641B1
Application number: KR1020060068771A
Authority: KR
Inventors: 김정욱
Original assignee: (주)나오디지탈
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2013-01-08
Also published as: KR20080008913A

Abstract

본 발명은 에어컨의 구동주기 제어방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 원격지에서 통신 네트웍을 통해 에어컨의 구동주기를 직접부하제어 하기 위한 직접부하제어를 이용한 에어컨의 에너지 절감형 제어방법에 관한 것이다.

본 발명의 에어컨의 직접부하제어방법으로서 원격지에서 네트웍을 통해 에어컨의 구동주기를 제어하는 방법으로서, 직접부하제어모드의 실행을 하기 위한 제어신호를 대기하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 직접부하제어모드 실행 제어신호가 입력되면 에어컨을 강제 오프 신호시키고, 오프유지시간이 일정 단위시간을 경과하는지 판단하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 오프유지시간이 상기 단위시간을 경과하면 미리 설정된 제1 알고리즘에 의해 상기 단위시간이 더 경과한 후의 습도 및 온도 값을 예측산출하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 산출된 습도 및 온도값으로 미리 설정된 제2 알고리즘에 의해 예상온열감 지수를 산출하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 산출된 예상온열감 지수가 일정값 이상이면 에어컨을 온시키는 제5단계와, 상기 제4단계에서 산출된 예상온열감 지수가 일정값 미만이면 상기 제2단계로 리턴하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

직접부하제어, 에너지 절감, 에어컨, 가변주기

Description

직접부하제어를 이용한 에어컨의 에너지 절감형 제어방법{CONTROLLING METHOD FOR ENERGY SAVING TYPE AIR CONDITIONER USING DIRECT LOAD CONTROL}

도 1은 일반적인 직접부하제어에 의한 에어컨 제어를 설명하기 위한 블럭도

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 직접부하제어를 이용한 에어컨의 에너지 절감형 제어방법을 설명하기 위한 흐름도

<부호의 간단한 설명>

10 중앙 제어부 20 통신망

30a~30n 에어컨

최근 냉방에 의한 전력부하는 급속도로 증가하고 있어 냉방에 의한 전력부하의 조절 및 제어는 에너지 사용 효율 극대화 측면에서 매우 중요한 사항이다.

이에 한국전력사 에서는 직접부하제어를 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 패 키지 에어컨(30a, 30b ……30n)을 대상으로 중앙 제어부(10)가 원격으로 상기 에어컨의 온/오프를 제어하고자 하는 사업을 시행하고 있는데, 복수의 에어컨(30a, 30b ……30n)을 그루핑(Grouping)하고, 각각의 에어컨에 통신 모듈을 설치하여 원격에서 상기 통신 네트웍(20)과 상기 에어컨의 통신모듈을 통해 에어컨에 접속하여 온/오프 및 그 주기의 제어, 온도의 높낮이 제어등을 그루핑된 에어컨군별로 교번하여 제어한다. 이때, 전력부하를 최소화 하기 위하여 에어컨의 운전시간을 정상 운전시 보다 적게 하여 에너지 절감을 달성한다.

그러나, 종래의 에어컨 제어방식은 그 구동주기를 고정적으로 운영, 즉 일군의 에어컨을 일정시간 동안 온 동작 시키고, 동일한 일정시간 동안 다른 일군의 에어컨은 오프 시키는 등의 고정주기로 제어하게 되어, 동일시간에 전체 에어컨의 온동작이 이루어 지지 않아 에너지 절감은 이루어지나, 해당 에어컨이 위치하는 실내의 쾌적성에 관련된 온도 및 습도 그리고 예상 온열감(PMV : Predict Mean Vote)을 고려하지 않은 제어로 인해 실제 실내는 습하고 더운 기운이나 직접부하제어에 의해 에어컨이 동작하지 않는 등의 단점이 있는 것이다.

본 발명의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 직접부하제어를 통해 구동하는 에어컨이 냉방기능이 보장되면서 소비 부하를 최소화 할 수 있는 직접부하제어를 이용한 에어컨의 구동주기 제어방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에어컨의 직접부하제어방법으로서 원격지에서 네트웍을 통해 에어컨의 구동주기를 제어하는 방법으로서, 직접부하제어모드의 실행을 하기 위한 제어신호를 대기하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 직접부하제어모드 실행 제어신호가 입력되면 에어컨을 강제 오프 신호시키고, 오프유지시간이 일정 단위시간을 경과하는지 판단하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 오프유지시간이 상기 단위시간을 경과하면 미리 설정된 제1 알고리즘에 의해 상기 단위시간이 더 경과한 후의 습도 및 온도 값을 예측산출하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 산출된 습도 및 온도값으로 미리 설정된 제2 알고리즘에 의해 예상온열감 지수를 산출하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 산출된 예상온열감 지수가 일정값 이상이면 에어컨을 온시키는 제5단계와, 상기 제4단계에서 산출된 예상온열감 지수가 일정값 미만이면 상기 제2단계로 리턴하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 에어컨의 직접부하제어방법으로 원격지에서 네트웍을 통해 에어컨의 구동주기를 제어하는 방법에서 상기 제5단계에서 에어컨을 온 시키고, 에어컨의 온 유지시간이 상기 단위시간을 경과하는지 판단하는 제7단계와, 상기 단위 시간이 경과하면 상기 직접부하제어모드를 해제하는 제8단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 에어컨의 직접부하제어방법으로 원격지에서 네트웍을 통해 에어컨의 구동주기를 제어하는 방법에서 상기 제3단계의 제1 알고리즘은 아래의 뉴 런 네트웍의 목적함수식

(E : 목표값, P : 패턴의 수, K : 출력유닛의 수, d_pk : p번째 패턴에서의 k 번째 출력유닛의 목표값, o_pk : p번째 패턴에서의 k번째 출력유닛의 계산값) 인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 에어컨의 직접부하제어방법으로 원격지에서 네트웍을 통해 에어컨의 구동주기를 제어하는 방법에서 상기 제2 알고리즘은 PMV = ｛0.303×exp (-0.036M)+0.028｝×L (PMV : 예상온열감 지수, M : 대사에 의한 열 생성률, L : 열생성률에서 열손실률을 뺀 값으로 인체의 열부하) 인 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대해 상세히 설명한다.

실내 생활자에게 더욱 쾌적한 환경을 제공하기 위하여 실내의 기온, 습도 등을 제어할 수 있는 공조시스템이 사용되고 있으나, 인체는 복잡한 열교환 과정을 거쳐 쾌적한 상태를 느끼므로 실내 기온 및 습도, 공기 유속, 복사 온도와 같은 물리적 환경과 인간의 온열감 사이의 상관성을 밝혀 내는 것이 매우 중요하다.

따라서, 온열 환경의 복합적인 요소가 인체에 미치는 영향을 정량적으로 표현하고, 이릉 통해 간단하고 정확하게 쾌적한 온열환경의 범위를 제시하기 위해 많은 온열환경의 지표들이 개발되어 사용되고 있으며, 그 중에서도 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)를 중심으로 미국에서 사용되고 있는 신유효온도(New Effective Temperature, ET)와 ISO(the International Organization for Standardization) 7730으로 채택되어 유럽에서 사용되는 예상 온열감(Predicted Mean Vote, PMV) 및 예상 불만족률(Predicted Percentage of Dissatisfied)이 대표적인 온열 환경 지표(쾌적지수)로서 많이 사용되고 있다.

상기 예상온열감(PMV)은 인간과 주위환경의 6가지 온열환경요소들을 측정하여 인체의 열평형에 기초한 쾌적 방정식에 대입함으로써 인간의 온열감을 이론적으로 예측하는 지표로서 아래와 같이 ＜수학식1＞로 표시된다.

＜수학식 1＞

PMV = ｛0.303×exp(-0.036M)+0.028｝×L

여기서, M은 대사에 의한 열생성률을 나타내고, L은 열생성률에서 열손실률을 뺀 값으로 인체의 열부하를 나타낸다.

상기 ＜수학식1＞에서 보는 바와 같이, 주어진 활동량에서 증립 온열감을 갖게 하는 인체 표면 온도와 땀증발률에 의해 계산된 인체 열부하의 함수로 표현된다. PMV값은 온열감 7단계 척도를 기준으로 설정되는 바, 온열감의 정도가 덥다(+3), 따뜻하다(+2), 약간 따뜻하다(+1), 중립(0), 약간 서늘하다(-1), 서늘하다(-2), 춥다(-3)로 구분하여 PMV값을 산정하게 된다. 상기 7단계 척도중에 -2＜PMV＞+2의 범위에 있는 값은 쾌적환경에 속하는 값으로 가정하고 극한 환경에는 적용할 수 없다. 또한, 예상 불만족률(PPD)는 온열감 척도에서 따뜻하다(+2) 및 덥다(+3)와 서늘하다(-2) 및 춥다(-3)라고 반응하는 것이 불만족을 의미한다는 가정하에 주어진 환경에 대해 만족하지 않는 사람의 예상비율을 나타낸 것이다. 다시 말해서, 예상 불만족률(PPD)은 예상온열감(PMV)에서 -3, -2, +2, +3에 해당하는 쾌적지수를 갖는 사람의 백분율이다.

상기 예상온열감(PMV)을 산출하는 데 필요한 입력 변수로는 신진 대사량, 외부일, 착의량, 공기온도, 복사온도, 공기유속, 상대습도등인 데 상기한 변수중 공기온도, 공기유속, 상대습도등은 센싱이 가능하지만, 그 밖의 변수는 센싱이 불가능하므로 상수로 처리한다.

통상 상기 예상온열감(PMV)의 값이 -0.5＜PMV＜+0.5일 경우 인간은 쾌적함을 느끼게 된다.

상기 도 1 및 도 2를 참조하여 상기 예상 온열감을 고려한 에어컨의 구동 주기방법을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예의 에어컨의 온/오프 제어는 직접부하제어에 의해 원격지에서 전송되는 제어명령에 의해 실행되는 것으로 어느 한 에어컨의 제어를 일예로 하여 설명하나 이에 한정되는 것은 아니고 복수의 에어컨을 그루핑한 어느 일군의 에어컨들을 일괄 제어함도 가능하다.

본 실시예의 직접 부하제어는 어느 일정 시간대에만 시행하는 것으로서, 보통 부하 피크치가 최고를 경신하는 오후 12시에서 오후 4시 사이 또는 관리자의 판단에 의해 예비 부하량이 어느 일정값 이하로 떨어지는 전력소모량이 많은 시기에 시행된다. 중앙 제어부(10)는 관리자 또는 미리 설정된 타이머 신호에 의해 직접부하제어를 위한 신호가 입력되는지 판단한다(S11). 직접부하제어를 위한 신호가 입력되면 해당 에어컨을 강제로 오프시키는 제어신호를 출력하고(S12), 그 오프 유지 시간이 일정 시간(T_off)을 경과하는지 판단한다(S13). 상기 일정시간은 임의의 시간을 설정하는 것으로 본 실시예에서는 10분을 예로 하여 설정한다.

상기 오프유지 시간이 10분을 경과하면 예상 온열감 값 산출을 위해, 현 시점에서 10분 경과 후의 예상 습도값과 예상 온도값을 산출하는데, 이는 아래의 수식에 의해 산출된다.

<수학식 2>

(E : 목표값, P : 패턴의 수, K : 출력유닛의 수, d_pk : p번째 패턴에서의 k 번째 출력유닛의 목표값, o_pk : p번째 패턴에서의 k번째 출력유닛의 계산값)

상기 수학식 2는 신경 회로망(Neuron Network)의 목적함수식으로 각각의 변수들의 입력에 대해 최소의 오차값을 구하는 공식이다. 즉, 상기 목표값을 각각의 습도값, 온도값으로 하고, 이전에 측정된 온도값과 습도값을 상기 수학식에 대입하여 학습시켜 구하고자 하는 출력유닛의 값, 본 실시예에서는 10분 후의 예상 습도값과 온도값을 구하는 것이다. 신경회로망을 이용한 예상값 산출은 이미 알려진 기술이므로 더 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 산출된 예측 습도 값 및 온도값을 상기 수학식 1에 대입하여 상기 10분 후의 예상 온열값이 산출한다(S15). 이때 산출된 예상 온열값이 0.5 미만, 더 상세하게는 -0.5 초과 +0.5 미만이면 현재 시점에서 10분 후의 실내상태는 쾌적 상태로 판단하여 에어컨의 오프를 유지하여 상기 단계(S13)으로 리턴하고, 0.5 이상이면 현재 시점에서 10분 후의 상태는 덥고 습한 상태로 판단하여 에어컨의 온동작 신호를 출력하여 해당 실내가 쾌적상태를 유지되도록 하는 것이다. 이때, 에어컨의 동작시간은 상기 일정시간과 동일한 10분으로 하고, 동작시간인 10분이 경과되면 직접부하제어를 종료할 것 인지를 질의하여 관리자의 입력신호에 의해 상기 단계(S11)로 리턴하거나 에어컨 자체 제어로직에 의해 동작하도록 직접부하제어를 종료한다.

즉, 에어컨을 강제 오프하여 10분 경과후, 그 다음 10분 후의 예상 온열감 지수를 예측하여, 그 예측 산출된 예상온열감 값이 0.5 미만이면 상기 그 다음 10분 후까지도 쾌적한 상태일 것이라고 판단하여 에어컨의 오프상태를 계속 유지하는 것이고, 상기 예측 산출된 예상 온열감 값이 0.5 이상이면 그 다음 10분 후는 덥고 습한 상태일 것이라고 판단하여 에어컨을 동작시켜 쾌적 상태를 유지시키도록 하는 것이다.

상기와 같은 주기 설정에 의한 에어컨 부하 감소량과 일반 고정주기에 의해 동작하는 에어컨의 부하 감소량을 아래의 수학식에 대입해 비교해 보면 다음과 같다.

<수학식 3>

L_d = DLC_t × (O - O_d) × Kw

( L_d : 부하 감소량, DLC_t : 직접부하제어시간, O : 정상 가동율, O_d : 주기 제어적용 가동율, Kw : 에어컨 소비전력)

상기 직접부하제어시간은 2시간으로 하고, 상기 정상 가동율은 정상 가동시에 총 45분의 시간에서 25분은 에어컨 가동, 나머지 20분은 에어컨 오프 라고 가정했을 때 0.55 이다.

먼저, 고정주기에 의한 에어컨 부하 감소량은 아래와 같다.

2 × (0.55 - 0.5) × 3.8 = 0.38Kwh

즉, 고정주기에 의한 가동율은 에어컨의 온/오프가 동일하게 이루어 지므로, 0.5를 적용하여 에어컨 부하 감소량은 0.38Kwh 가 된다.

그리고, 가변주기에 의한 에어컨 부하 감소량은 아래와 같다.

2 × (0.55 - 0.416) × 3.8 = 1.02Kwh

즉, 가변주기에 의한 가동율은 20분 오프 후 10분 가동하였으므로 0.416을 적용하여 에어컨 부하 감소량은 1.02Kwh가 되는 것이다.

상기와 같이 고정주기에 비해 본 실시예에 의해 산출된 가변주기로 에어컨을 구동하면 약 2.6배 정도의 부하 감소를 달성할 수 있는 것이다.

상기와 같은 본 발명에 의하면 직접부하제어에 의해 에어컨을 예상 온열감 지수에 의해 가변주기로 제어함으로서 일정한 쾌적지수를 유지시키고, 종래 고정주기에 의한 에어컨의 온/오프 시 보다 사용전력량을 줄 일 수 있는 장점이 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims

원격지에서 네트웍을 통해 적어도 하나 이상의 에어컨 또는 일군의 에어컨들의 구동주기를 제어하는 방법으로서,

직접부하제어모드의 실행을 하기 위한 제어신호를 대기하는 제1단계와,

상기 제1단계에서 직접부하제어모드 실행 제어신호가 입력되면 에어컨을 강제 오프시키고, 오프유지시간이 일정 단위시간을 경과하는지 판단하는 제2단계와,

상기 제2단계에서 오프유지시간이 상기 단위시간을 경과하면 미리 설정된 제1 알고리즘에 의해 상기 단위시간이 더 경과한 후의 습도 및 온도 값을 예측산출하는 제3단계와,

상기 제3단계에서 산출된 습도 및 온도값으로 미리 설정된 제2 알고리즘에 의해 예상온열감 지수를 산출하는 제4단계와,

상기 제4단계에서 산출된 예상온열감 지수가 일정값 이상이면 에어컨을 온시키는 제5단계와,

상기 제4단계에서 산출된 예상온열감 지수가 일정값 미만이면 상기 제2단계로 리턴하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어컨의 직접부하제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 제5단계에서 에어컨을 온 시키고, 에어컨의 온 유지시간이 상기 단위시간을 경과하는지 판단하는 제7단계와,

상기 단위 시간이 경과하면 상기 직접부하제어모드를 해제하는 제8단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어컨의 직접부하제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 제3단계의 제1 알고리즘은 아래의 뉴런 네트웍의 목적함수식 인 것을 특징으로 하는 에어컨의 직접부하제어 방법.

[수학식]

(E : 목표값, P : 패턴의 수, K : 출력유닛의 수, d_pk : p번째 패턴에서의 k 번째 출력유닛의 목표값, o_pk : p번째 패턴에서의 k번째 출력유닛의 계산값)
제3항에 있어서,

상기 제2 알고리즘은 다음의 수학식인것을 특징으로 하는 에어컨의 직접부하제어방법.

[수학식]

PMV = ｛0.303×exp (-0.036M)+0.028｝×L

(PMV : 예상온열감 지수, M : 대사에 의한 열 생성률, L : 열생성률에서 열손실률을 뺀 값으로 인체의 열부하)