KR101230647B1 - 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 및 그의 구현 방법 - Google Patents

건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 및 그의 구현 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공조설비를 제어하여 공급온도를 유지하기 위하여 열원 및 공조장비를 제어하되, 열원 및 공조장비의 성능 및 효율을 고려하여 최적으로 운전할 수 있도록 제어함으로써 공급온도를 유지하면서 열원 및 공조장비의 효율을 높여 열원 및 공조장비에서도 에너지를 절감할 수 있도록 하는 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 및 그의 구현 방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 및 그의 구현 방법{The heat source for a building energy curtailment and mutual assistance integrated operation control system and embodiment method}
본 발명은 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 및 그의 구현 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열원 및 공조장비의 성능 및 효율을 고려하여 실시간으로 변화하는 부하에 따라 열원 및 공조설비를 자동제어 하여 최적으로 운전하며, 기존의 공조시스템이 부분부하의 경우 변화하는 열원 및 공조장비의 성능 및 효율을 고려하지 못하고 일률적으로 운전되어 에너지의 소비가 큼을 방지하여 열원 및 공조설비에서의 에너지 절감을 이룰 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 공조제어 방식은 다음과 같다.
열원장비(냉동기, 보일러 등)의 경우 미리 선정되어진 설정 값을 기준으로 일정한 간격의 온도편차 사이에 열원장비의 공급온도가 유지되도록 각 열원장비의 특성에 따라 열원장비의 제조사에서 제공하는 제어방식(On/Off 제어, 인버터(Inverter) 제어, 스탭(Step) 제어 등)을 그대로 유지하며, 공조기(Air Handling Unit)의 경우 정풍량 방식은 실내 설정 온도를 유지하기 위하여 공조기 냉각 및 난방 코일의 밸브 개도를 비례적으로 제어하고, 변풍량 방식은 실내 설정온도를 유지하기 위하여 급/배기팬의 회전수를 인버터 제어하는 방식이다.
이러한 종래의 공조제어방식은 사용되는 에너지 절감에 대하여 고려하지 않는 것으로 에너지 절감을 위해 공조제어방식에 대하여 다양한 방법이 모색되고 있으나, 이러한 방법들 대다수는 변화하는 외부 및 실내 부하에 적절하게 대응하지 못하거나 개별적인 장비들의 효율만을 따져 전체적인 열원 및 공조시스템의 유기적인 연계가 되지 않아 오히려 에너지 소비 효율을 감소시키는 경우가 많은 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 공조설비를 제어하여 공급온도를 유지하기 위하여 열원 및 공조장비를 제어하되, 열원 및 공조장비의 성능 및 효율을 고려하여 최적으로 운전할 수 있도록 제어함으로써 공급온도를 유지하면서 열원 및 공조장비의 효율을 높여 열원 및 공조장비에서도 에너지를 절감할 수 있도록 하는 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 및 그의 구현 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 보일러, 냉온수기, 공조기 등의 열원장비를 포함하고 있는 공조시스템에 있어서, 상기 열원장비에 부착되어 열원장비의 부하 정도를 측정하는 센서부; 상기 센서부로부터 데이터를 전송받아 최적제어알고리즘을 통하여 열원장비를 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제어부는 센서부로부터 전송되는 데이터를 받아 3분 동안 데이터를 측정한 후 평균값을 계산하고, 평균값을 사용하여 최적알고리즘을 계산하여 15분 간격으로 열원장비의 설정 점을 재설정하여 제어하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열원장비의 운전은 일정한 차동 갭안에서 유지될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제어방법은 열원장비의 초기 설정값을 입력하는 단계(S10); 공조 시스템의 데이터를 입력받아 초기에 일정시간동안 운전하는 단계(S20); 상기 초기 운전에 의한 열원장비의 데이터를 받아 제어부에서 최적 냉수 및 온수 공급설정온도 및 최적급기설정온도를 계산하는 단계(S30); 상기 계산값에 의하여 냉동기, 보일러, 공조기 밸브를 제어하는 단계(S40); 상기 냉동기, 보일러, 공조기 밸브의 제어값에 따라 실별 밸브유닛을 제어하는 단계(S50); 설정 실내온도를 유지하기 위해 밸브 유닛 댐퍼 개도를 비례제어하는 단계(S60);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 S60 단계에서 급기 덕트 내 정압변화가 생길 경우 급기덕트 내 설정 정압을 유지하도록 공조기 급배기관 회전수를 비례제어하도록 하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S50 단계는 상기 최적 냉수 공급설정온도를 사용하여 냉동기를 제어하는 단계(S51); 상기 최적 온수 공급설정온도를 사용하여 보일러를 제어하는 단계(S52); 상기 최적 급기 설정온도를 통하여 공조기의 밸브를 제어하는 단계(S53);로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S30 단계는 3분 동안의 데이터 평균값을 사용하여 계산하며, 15분마다 계산값을 적용하여 제어설정을 재설정하도록 하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 공급온도를 유지하기 위하여 공조설비를 제어할 때 열원 및 공조장비의 성능 및 효율을 고려하여 실시간으로 변화하는 부하에 따라 열원 및 공조설비를 자동제어 하여 열원 및 공조장비의 성능 및 효율을 고려하여 최적으로 운전할 수 있도록 제어함으로써 공급온도를 유지하면서 열원 및 공조장비의 효율을 높여 열원 및 공조장비에서도 에너지를 절감할 수 있도록 하는 이점이 있는 매우 유용한 발명인 것이다.
도 1 은 본 발명인 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 및 제어흐름을 나타낸 구성도,
도 2 는 본 발명인 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템의 구현을 위한 제어 흐름을 나타낸 플로우챠트.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 도 1 에서 보는 바와 같이 본 발명은 보일러, 냉온수기, 공조기 등의 열원장비와, 상기 열원장비에 부착되어 열원장비의 부하 정도를 측정하는 센서부와, 상기 센서부로부터 데이터를 전송받아 최적제어알고리즘을 통하여 열원장비를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되어 있다.
상기 센서부는 열원장비의 온도 및 부하 정도, 소모에너지를 측정하여 제어부로 전송하고, 상기 제어부는 센서부로부터 전송되는 데이터를 받아 최적제어 알고리즘에 의하여 열원장비의 설정값을 계산한다.
상기 최적제어 알고리즘에서 '설정값'은 냉수공급 설정온도, 온수공급 설정온도, 급기설정온도, 실내설정온도 등을 의미하며, 각각의 수치는 최적제어시스템 내부 '최적제어알고리즘(Optimal Control Algorithm)'을 통해 실시간으로 변화하는 부하량, 실내 상태 등이 고려된 각 열원 및 설비기기의 에너지 사용량을 토대로 실시간으로 계산된다.
최적제어 설정 점 계산 수식은 다음과 같다.
수식 1 은 전체 열원 및 공조시스템의 에너지사용량을 구하는 식으로 수식 2, 수식 3, 수식 4 를 통해 상세히 표현하면 수식 5 와 같다.
[수식1]
Figure 112010083124238-pat00001
[수식2]
Figure 112010083124238-pat00002
[수식3]
Figure 112010083124238-pat00003
[수식4]
Figure 112010083124238-pat00004
[수식5]
Figure 112010083124238-pat00005
수식 5 를 통해 최적의 냉온수공급환수온도차를 계산하며, 최적의 혼합급기온도차는 수식 6 을 통해 계산한다. 또한, 최종적으로 수식 7 을 통해 최적제어 알고리즘에 필요한 최적 설정값을 계산한다.
[수식6]
Figure 112010083124238-pat00006
[수식7]
Figure 112010083124238-pat00007

여기서, Etot은 열원 및 공조설비의 총 에너지사용량, Eheat source는 열원의 에너지사용량, Epump는 펌프의 에너지사용량, Efan은 공조기 급배기팬의 에너지 사용량, △Tw는 냉온수공급환수온도차, △Ta는 혼합급기공기온도차, △Ta,opt는 최적혼합급기온도차, Cw는 냉온수의 비열, mw는 냉온수 유량, △Tw,opt는 최적냉온수공급온도차, ρ는 공기의 밀도, ω는 공기의 비습도, G는 풍량, Tw,s,opt는 최적냉온수공급온도, Tw,r은 냉온수환수온도, Ta,s,opt는 최적급기온도, Ta,r은 혼합온도를 뜻한다.
한편, 열원 및 공조설비 최적제어시스템을 구현하기 위해서는 다음과 같은 자동제어 제반사항이 만족되어야 한다.
필수 관제 포인트로는 외기온도, 실내온도(각층별), 급기온도, 환기온도, 혼합온도, 냉수공급온도, 냉수환수온도, 온수공급온도, 온수환수온도, 냉각탑 급수온도, 냉각탑 환수온도, 각 공조기 팬 사용전력(W), 냉수펌프 사용전력(W), 냉동기 사용전력(W), 냉열원 에너지사용량, 온열원 에너지사용량, 각 공조기 풍량, 각 공조기 코일 유량, 냉수 주배관 유량, 온수 주배관 유량, 공조기 급기 덕트 정압센서가 있다.
한편, 공조설비 최적제어 시스템을 구현하기 위한 필수설치장치는 각 급배기 인버터, 밸브유닛, 냉동기 인터페이스 장치, 보일러 인터페이스 장치가 있다.
대부분의 장비는 전력을 통한 에너지를 사용하기 때문에 건물 내 열원 및 공조설비의 에너지사용량을 측정하기 위해서 장비의 전력량계를 통하여 열원 및 공조설비의 전력량을 측정하고, 측정된 전력량을 통하여 소모되는 에너지를 수치적으로 계산하여 최적제어 알고리즘의 내부 계산의 수치로 활용하여 소모 에너지를 측정한다.
또한, 열원 장비 중, 냉동기나 보일러의 소모 에너지원이 가스 및 기름인 경우 가스는 가스미터의 설치를 통해 본 자동제어시스템과의 인터페이스로 사용하는 가스의 에너지를 수치적으로 계산하고, 기름의 경우도 동일하다.
상기와 같이 최적제어 알고리즘에 의해 산출되어지는 계산값에 따른 냉온수 설정온도 및 급기 설정온도의 제어를 살펴보면 다음과 같다.
냉온수 설정온도는 현장에 따라 주어지는 상황에 맞춰 인터페이스 유닛을 장착하고 자동제어시스템과의 통신 연결로 설정값을 기준으로 냉온수 온도가 일정한 간격의 온도편차 사이로 유지되도록 한다.
급기설정온도는 공조기의 냉온수 코일의 밸브 개도를 비례적으로 제어하여 급기 온도가 설정값을 기준으로 일정한 간격의 편차 사이로 유지되도록 한다.
실내 설정온도는 사용자의 요구에 따라 수치가 결정되며 일반적으로 변화가 없지만 실내온도의 설정값 기준 일정한 간격의 편차 이내로 유지하기 위해서는 공조기의 급배기팬 회전수를 인버터로 비례적으로 제어한다.
한편, 상기 제어부는 센서부로부터 3분 동안의 데이터를 측정한 후 평균값을 계산하고, 평균값을 사용하여 최적알고리즘을 계산하여 15분 간격으로 열원장비의 설정 점을 재설정하여 제어하도록 한다.
좀더 자세히 살펴보면, 최적제어 알고리즘을 통한 냉/온수 설정온도 및 급기 설정온도의 계산은 필요 데이터들의 수집으로 자동제어시스템 내부의 연산을 통해 계산되어지며, 이 설정값의 계산은 실시간으로 이루어지나, 가스량 및 전력량의 데이터를 일정한 플러스 값으로 전기적 에너지 사용량의 데이터를 전송받은 경우, 3분의 시간동안 자동제어시스템 내부적으로 데이터를 축척한 후 평균값으로 계산하며, 3분마다 계산되는 값을 그대로 제어 기기에 적용하는 것이 아니라 15분마다 각 제어 기기들의 이전 제어값을 제어 완료 하였을 시점인 15분마다 재설정을 하는 방식으로 진행된다.
또한, 열원장비 운전은 최적제어알고리즘을 통해 계산한 최적 냉온수 공급설정온도를 유지할 수 있도록 한다. 이때 대다수의 열원장비의 제어가 On/Off 제어 방식으로 이루어지므로 각 장비의 효율과 안전을 고려하여 일정한 차동 갭안에서 유지될 수 있도록 한다. 예를들면, 보일러 온수설정온도가 50℃일 경우 차동값을 ㅁ10℃로 설정한다면 45℃~55℃에서 온수공급온도가 유지되도록 한다. 다시말해 55℃가 되면 보일러 Off되고, 45도가 되면 보일러 On이되는 방식으로 사용한다.
공조기 밸브 운전은 최적제어알고리즘을 통해 계산한 최적 급기설정온도를 유지할 수 있도록 공조기 코일에 설치한 유량제어 밸브를 제어한다. 밸브의 제어 방식은 기존의 급기온도와 급기설정온도와의 차를 통한 비례제어 또는 PI 제어와 동일하나, 그 제어 설정값이 기존의 방식은 고정되어 있는 설정값에 대한 제어인 반면에, 본 제어방식은 15분 간격으로 그 설정 점이 변경되어 PI 제어하는 방식이다. 정속운전하는 냉온수 펌프의 유량은 공조기에서 밸브 개도가 줄어들면 배관 내 압력이 상승하고 이는 급수/환수 헤더 사이의 차압조절변을 통해 그 여분의 유량이 환수 쪽으로 바이패스(by-pass)된다.
한편, 상기와 같은 시스템을 사용한 제어방법은 열원장비의 초기 설정값을 입력하는 단계(S10); 공조 시스템의 데이터를 입력받아 초기에 일정시간동안 운전하는 단계(S20); 상기 초기 운전에 의한 열원장비의 데이터를 받아 제어부에서 최적 냉수 및 온수 공급설정온도 및 최적급기설정온도를 계산하는 단계(S30); 상기 계산값에 의하여 냉동기, 보일러, 공조기 밸브를 제어하는 단계(S40); 상기 냉동기, 보일러, 공조기 밸브의 제어값에 따라 실별 밸브유닛을 제어하는 단계(S50); 설정 실내온도를 유지하기 위해 밸브 유닛 댐퍼 개도를 비례제어하는 단계(S60);를 포함하여 이루어진다.
즉, 열원장비의 가동 데이터를 받기 위하여 초기 설정값을 입력 후(S10) 일정시간동안 가동시켜(S20) 가동되는 동안의 열원장비의 데이터를 받아 최적 냉수 및 온수 공급설정온도, 최적급기설정온도를 계산한다(S30).
상기 S30 단계에서 냉수 및 온수 공급설정온도, 최적급기설정온도의 계산은 3분 동안의 데이터 평균값을 사용하여 계산하며, 평균값을 모아 15분마다 열원장비에 계산값을 적용하여 제어설정을 재설정하도록 한다.
이후, 상기 계산값에 의하여 열원장비(냉동기, 보일러, 공조기 밸브)를 제어한다(S40).
상기 S40 단계에서 열원장비를 제어하는 것은 최적 냉수 공급설정온도를 사용하여 냉동기를 제어하는 단계(S41); 최적 온수 공급설정온도를 사용하여 보일러를 제어하는 단계(S42); 최적 급기 설정온도를 통하여 공조기의 밸브를 제어하는 단계(S43);로 이루어진다.
상기 열원장비의 제어 후 설정 실내온도를 유지하기 위해 실별 밸브 유닛을 제어하고(S50), 설정 온도를 유지하도록 밸브 유닛 댐퍼 개도를 비례제어한다(S60).
한편, 상기 S60 단계에서 급기 덕트 내 정압변화가 생길 경우 급기덕트 내 설정 정압을 유지하도록 공조기 급배기관 회전수를 비례제어하도록 하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 기존의 제어방식(변풍량 방식)이 각 공조설비들의 효율을 고려하지 않고 일정한 온도로 고정하여 운전하도록 하는 반면, 본 발명은 각 공조설비들의 효율 및 실시간 부하상황 등을 고려하여 최적제어 알고리즘에 대입하여 냉온수 및 급기의 설정 온도를 계속적으로 변경하여 제어함으로써 최저의 에너지 사용으로 공조설비들의 최대 효율을 가질 수 있도록 하는 것이다.
상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

Claims (7)

  1. 보일러, 냉온수기, 공조기 등의 열원장비를 포함하고 있는 공조시스템에 있어서,
    상기 열원장비에 부착되어 열원장비의 부하 정도를 측정하는 센서부;
    상기 센서부로부터 데이터를 전송받아 최적제어알고리즘을 통하여 열원장비를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는 센서부로부터 전송되는 데이터를 받아 3분 동안 데이터를 측정한 후 평균값을 계산하고, 평균값을 사용하여 최적알고리즘을 계산하여 15분 간격으로 열원장비의 설정 점을 재설정하여 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 열원장비의 운전은 일정한 차동 갭안에서 유지될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템.
  4. 열원장비의 초기 설정값을 입력하는 단계(S10);
    공조 시스템의 데이터를 입력받아 초기에 일정시간동안 운전하는 단계(S20);
    상기 초기 운전에 의한 열원장비의 데이터를 받아 제어부에서 최적 냉수 및 온수 공급설정온도 및 최적급기설정온도를 계산하는 단계(S30);
    상기 계산값에 의하여 냉동기, 보일러, 공조기 밸브를 제어하는 단계(S40);
    상기 냉동기, 보일러, 공조기 밸브의 제어값에 따라 실별 밸브유닛을 제어하는 단계(S50);
    설정 실내온도를 유지하기 위해 밸브 유닛 댐퍼 개도를 비례제어하는 단계(S60);를 포함하되,
    상기 S30 단계는 3분 동안의 데이터 평균값을 사용하여 계산하며, 15분마다 계산값을 적용하여 제어설정을 재설정하도록 하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 구현 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 4 에 있어서,
    상기 S40 단계는 상기 최적 냉수 공급설정온도를 사용하여 냉동기를 제어하는 단계(S41); 상기 최적 온수 공급설정온도를 사용하여 보일러를 제어하는 단계(S42); 상기 최적 급기 설정온도를 통하여 공조기의 밸브를 제어하는 단계(S43);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 구현 방법.
  7. 청구항 4 에 있어서,
    상기 S60 단계에서 급기 덕트 내 정압변화가 생길 경우 급기덕트 내 설정 정압을 유지하도록 공조기 급배기관 회전수를 비례제어하도록 하는 단계(S61)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 절감을 위한 열원 및 공조 통합 운전 제어 시스템 구현 방법.
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