KR101652247B1

KR101652247B1 - 공기조화기의 외기냉방 운전방법

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Publication number: KR101652247B1
Application number: KR1020150155770A
Authority: KR
Inventors: 유성연; 김태호; 윤홍익; 한규현
Original assignee: (주)가교테크; 충남대학교산학협력단
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2016-08-30

Abstract

본 발명은 외기를 이용한 냉방시스템의 운전방법에 관한 것으로, 외기냉방이 적절한지 여부를 판단하는 주기를 설정하는 외기냉방 판단 주기 설정단계(S100)와; 기상청에서 예보하는 기상정보를 활용하여 익일의 기상상태를 예측하는 실외 기상상태 예측단계(S300)와; 상기 실외 기상상태 예측단계(S300)에서 예측된 실외 기상상태와 건물의 실내 목표온도에 기초하여 건물의 냉방부하를 예측하는 냉방부하 예측단계(S400)와; 상기 실외 기상상태 예측단계(S300)에 의해 예측된 외기상태를 기준으로 외기의 엔탈피를 구한 다음, 상기 구해진 외기 엔탈피를 기준으로 외기냉방이 적절한지 여부를 판단하는 외기냉방 적절여부 결정단계(S500)와; 상기 냉방부하 예측단계(S400)에서 산출된 예측 냉방부하를 바탕으로 외기냉방을 행하기 위해 도입하여야 하는 외기의 양을 산출하는 도입외기량 산출단계(S600) 및; 외기냉방 수행여부에 대한 판단을 계속할 것인지를 결정하는 판단 반복여부 결정단계(S700)로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이러한 구성에 의해 효과적인 에너지 절약을 달성할 수 있는 동시에 더욱 쾌적한 실내 환경을 구축할 수 있다.

Description

공기조화기의 외기냉방 운전방법{Operating Method for Outdoor Air Cooling of Air Handling Unit}

본 발명은 공기조화기의 외기냉방 운전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환절기 등에 외기를 도입하여 냉방 운전할 때 외기의 상태를 예측하고, 이 예측된 외기 상태에 기초하여 산출된 외기의 엔탈피와 건물의 냉방부하를 기준으로 외기냉방 수행 여부와 도입 외기량 등을 결정함으로써 더욱 쾌적하고 에너지 절약효과가 높은 공기조화기의 외기냉방 운전방법에 관한 것이다.

하절기에 실내 환경을 쾌적한 상태로 유지하기 위해 냉방을 행하며, 외기의 온도가 높을수록 더 많은 에너지가 투입되는데, 초가을과 같은 환절기에 실내온도보다 외기온도가 낮은 경우 외기를 도입하여 실내를 냉방(이하, 이를 '외기냉방'이라 한다.)하게 되면 냉방에 투입되는 에너지를 절약할 수 있으며, 이와 같이 외기냉방운전을 행하고자 할 때에는 일반적으로 현재의 외기온도가 실내온도보다 낮은지 여부를 기준으로 외기냉방을 행할지를 결정한다.

그러나 상기와 같이 현재의 외기온도가 실내온도보다 낮은지 여부를 기준으로 외기냉방 운전 여부를 결정하는 경우 외기냉방 운전 중에 외기의 온도가 상승하여 실내온도보다 조금 높은 경우에는 외기냉방 운전을 취소하고 다시 이전의 냉방운전 방식으로 회귀하여야 하고, 또한 다시 외기의 온도가 낮아져 외기온도가 실내온도보다 조금 낮은 경우에는 외기냉방 운전으로 다시 돌아가야 하므로 냉방시스템을 구성하는 냉동기나 공기조화기 등의 잦은 온오프 동작으로 인해 냉동기 또는 공기조화기 등에 무리가 가게 되어 고장날 우려가 있으며, 또한 외기냉방 운전에 따른 에너지 절약효과도 미미하다.

더구나 외기온도가 설정된 실내의 냉방온도보다 낮아 외기냉방으로 전환하여 운전하는 경우에도 실내 냉방부하의 크기에 상관없이 외기냉방 운전 기간 내내 공기조화기 등에 설치된 급기팬의 최대 용량으로 외기를 도입하여 운전함으로써 필요 이상의 전기 에너지가 소비되며, 이로 인해 실내가 과냉되어 거주자가 불편을 느끼는 경우도 발생한다.

따라서 좀 더 합리적이고 에너지 절약 효과가 높으며, 또한 적절한 양의 외기를 도입하여 운전함으로써 쾌적한 냉방이 이루어질 수 있는 외기냉방 운전 전략의 수립이 요구된다.

KR 10-0949044 B1 KR 10-1521161 B1 KR 10-2013-0120601 A KR 10-1999-0042017 A KR 10-2011-0100895 A KR 10-2012-0128049 A

본 발명은 상기와 같은 종래의 외기냉방 운전방법이 가지는 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 현재의 외기온도가 실내온도보다 낮은지 여부를 기준으로 외기냉방 운전 여부를 결정하는 방식을 탈피하여 합리적인 외기냉방 운전 결정방식을 도입하고, 아울러 예측된 냉방부하를 기준으로 외기의 도입량을 결정함으로써 에너지 절약효과가 높으면서도 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있는 공기조화기의 외기냉방 운전방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 외기냉방 운전방법을, 외기냉방이 적절한지 여부를 판단하는 주기를 설정하는 외기냉방 판단 주기 설정단계와; 기상청에서 예보하는 기상정보를 활용하여 익일의 기상상태를 예측하는 실외 기상상태 예측단계와; 실외 기상상태 예측단계에서 예측된 실외 기상상태와 건물의 목표 실내온도에 기초하여 건물의 냉방부하를 예측하는 냉방부하 예측단계와; 실외 기상상태 예측단계에 의해 예측된 외기상태를 기준으로 외기의 엔탈피를 구한 다음, 구해진 외기 엔탈피를 기준으로 외기냉방이 적절한지 여부를 판단하는 외기냉방 적절여부 결정단계와; 상기 냉방부하 예측단계에서 산출된 예측 냉방부하를 바탕으로 외기냉방을 행하기 위해 도입하여야 하는 외기의 양을 산출하는 도입외기량 산출단계 및; 외기냉방 수행여부에 대한 판단을 계속할 것인지를 결정하는 판단 반복여부 결정단계로 구성하는 것에 의해 달성된다.

그리고 본 발명은 냉방부하 예측단계 전에 외기냉방을 위해 외기를 도입할 때 실내의 최저온도를 설정하는 실내 냉방 최저온도 설정단계가 포함됨으로써 설정된 실내 냉방 최저온도가 건물의 목표 실내온도가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 외기냉방 적절여부 결정단계에서 외기냉방이 적절한지 여부를 판단할 때에는 판단 주기 동안의 외기의 평균 엔탈피가 설정된 실내 냉방온도에서의 공기의 엔탈피보다 작은 경우에 외기냉방이 적절한 것으로 판단하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

이에 더하여 본 발명은 도입외기량 산출단계에서의 외기도입량은 판단 주기 동안의 냉방부하의 평균값을 바탕으로 산출되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

더욱이 본 발명은 기상상태 정보가 외기냉방을 수행할지 여부를 결정하기 전에 외기냉방 판단 주기마다 입력됨으로써 냉방부하와 도입외기량이 다시 산출되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명은 실시간으로 실측된 실외의 기상상태 정보를 이용하는 대신 하루 동안의 실외의 기상상태를 예측하고, 이 예측된 실외 기상상태에 기초하여 외기냉방 적절여부와 냉방부하 및 도입외기량을 산출함으로써 효과적인 에너지 절약을 달성할 수 있다.

그리고 본 발명은 외기냉방 판단 주기를 설정한 다음, 이 주기에 맞추어서 외기냉방 수행여부를 결정함으로써 냉방시스템을 구성하는 냉동기나 공기조화기 등의 잦은 온오프 동작으로 인한 고장을 방지할 수 있다.

또한 본 발명은 실내 온도가 설정된 냉방 최저온도보다 낮은 경우 외기냉방이 이루어지지 않도록 함으로써 실내 과냉방을 방지하여 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있다.

이에 더하여 본 발명은 외기냉방을 위해 도입하는 적정 외기의 양(외기도입량)을 냉방부하의 평균값을 기준으로 산출하고, 이 산출된 외기량만큼만 도입하여 운전하기 때문에 급기팬의 최대 용량 운전에 따른 불필요한 에너지 소비를 방지할 수 있으며, 또한 판단 주기 동안의 잦은 외기냉방 운전으로의 전환이 방지됨으로써 안정적인 외기냉방이 달성될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 외기를 이용한 냉방시스템의 운전방법을 순서대로 나타낸 순서도,
도 2는 본 발명의 외기냉방 수행순서의 예를 나타낸 흐름도,
도 3은 본 발명의 외기냉방 수행순서의 다른 예를 나타낸 흐름도이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 합리적인 외기냉방 결정방식을 도입함으로써 에너지 절약효과가 높은 외기냉방 운전방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위해 본 발명의 냉방시스템 운전방법은 대략 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 순서를 따라 수행되며, 이를 정리하면 도 1에 도시된 바와 같이 외기냉방 판단 주기 설정단계(S100), 실외 기상상태 예측단계(S300), 냉방부하 예측단계(S400), 외기냉방 적절여부 결정단계(S500), 도입외기량 산출단계(S600) 및 판단 반복여부 결정단계(S700)로 이루어지고, 외기냉방 적절여부 결정단계(S500) 전에는 실내 냉방 최저온도 설정단계(S200)가 선택적으로 포함될 수 있으며, 이러한 일련의 과정은 내부에 마이크로프로세서와 통신장치 등을 구비하여 통신케이블을 통해 건물에 설치된 공기조화기의 운전과 스케줄을 통합 관리 및 제어하는 통합제어기(도시하지 않음)에 저장된 운전 프로그램에 의해 미리 입력되어 동작된다.

(1) 외기냉방 판단 주기 설정단계(S100)

이 단계는 공기조화기에 있어서 외기냉방 운전이 적절한지 여부를 판단하는 주기를 설정하는 단계이다.

본 발명은 위에서 설명한 바와 같은, 외기냉방을 수행할지 여부를 판단할 때 외기의 온도를 실측하고, 이 실측된 외기의 온도가 설정된 실내 냉방온도보다 낮은 경우에는 일의적으로 외기냉방을 수행함으로써 공기조화기 등이 고장날 우려가 있는 등의 종래의 외기냉방이 가지는 문제점을 해결하기 위해 종래의 외기냉방과 달리 실시간으로 실측된 실외의 기상상태 정보를 이용하는 대신 일정 기간(주기) 동안의 실외의 기상상태를 예측하여 사용하며 이를 위해 본 발명에서는 먼저 외기냉방이 적정한지 여부를 판단하는 주기를 설정한다.

(2) 실내 냉방 최저온도 설정단계(S200)

외기냉방 운전 시 도입되는 외기의 온도가 실내의 온도보다 낮을수록 외기냉방 운전에 따른 에너지 절약효과는 당연히 크지만 외기냉방에 의해 실내의 온도가 지나치게 낮아지게 되면 거주자가 불편을 느낄 수 있다.

이에 본 발명에서는 외기냉방을 위해 외기를 도입할 때 가급적 높은 에너지 절약효과를 얻을 수 있으며, 또한 외기냉방 운전에 의한 실내 과냉방을 방지할 수 있도록 하는데, 따라서 본 단계는 외기냉방 운전에 의해 달성되는 실내의 냉방 최저온도를 설정하는 단계로서, 사용자가 에너지 절약 효과와 실내거주자의 쾌적성 등을 고려하여 필요에 따라 도입할지 여부를 선택하는 선택적 단계이고, 이때 설정되는 실내 냉방 최저온도는 실내 냉방 설정온도보다 1∼2℃ 만큼 낮은 온도로 설정하는 것이 바람직하다.

(3) 실외 기상상태 예측단계(S300)

위에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실시간으로 실측된 실외의 기상상태 정보를 이용하는 대신 일정 기간(통상적으로 1일) 동안의 실외의 기상상태를 예측하여 사용하며 따라서 본 단계는 외기냉방을 행하는 것이 적절한지 여부를 판단하기 위해 외기의 온도와 습도 등의 실외 기상상태를 예측하는 단계로서, 본 발명에서는 기상청에서 전날 예보하는 온도 및 습도와 같은 기상정보를 활용하여 익일의 기상상태를 예측하며, 외기상태에 대한 예측은 본 출원인이 특허 제1141027호를 통해 제안한 시간별 기상데이터 예측방법을 비롯하여 많은 예측방법이 이미 알려져 있으므로 이러한 공지의 외기상태 예측방법 중 어느 한 가지 방법을 선택하여 외기상태를 예측한다.

(4) 냉방부하 예측단계(S400)

이 단계는 위의 실외 기상상태 예측단계(S300) 수행결과 예측된 실외 기상상태와 건물의 목표 실내온도에 기초하여 판단 주기 동안 외기냉방을 행하는데 필요한 외기도입량을 결정하기 위해 건물의 냉방부하를 예측하는 단계로서, 이때 건물의 냉방부하는 본 발명자 등이 특허 제1506215호를 통해 제시한 방법, 즉 먼저 건축도면 및 부하계산서에 포함된 건물의 구조와 재실 스케줄 등의 정보를 통해 건물특성계수를 도출한 다음, 이 도출된 건물특성계수와 건물의 목표 실내온도, 예측된 외기조건을 기초로 건물의 냉방부하를 예측하는 방법 등을 통해 냉방부하(

)를 예측하며, 그 결과는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서,

은 건물의 예측 냉방부하,

는 전열부하,

은 일사부하,

는 외기부하 중 환기부하가 제외된 침기부하,

는 발열부하를 나타낸다.

그리고 본 발명에서는 상기와 같은 과정을 통해 냉방부하(

)를 예측할 때 부하특성별 냉방부하, 즉 전열부하(

), 일사부하(

), 침기부하(

) 및 발열부하(

)는 아래의 수학식 2 내지 수학식 5에서와 같이 판단 주기(

) 동안의 평균값을 사용하며, 건물의 목표 실내온도를 설정할 때에는 위의 실내 냉방 최저온도 설정단계(S200)에 의해 설정된 실내 냉방 최저온도를 반영하여 설정, 즉 실내 냉방 최저온도 설정단계(S200)에 의해 실내 냉방 최저온도가 설정된 경우에는 이 설정된 실내 냉방 최저온도가 건물의 목표 실내온도로 설정된다.

(5) 외기냉방 적절여부 결정단계(S500)

이 단계는 상기의 실외 기상상태 예측단계(S300)에 의해 예측된 외기상태를 기준으로 외기의 엔탈피를 구한 다음, 이 구해진 엔탈피를 기준으로 외기냉방이 적절한지 여부를 판단하는 단계로서, 이를 위해 본 발명에서는 판단 주기 동안의 외기의 평균 엔탈피(

)를 구하며, 이 구해진 외기의 평균 엔탈피(

)가 설정된 외기냉방 엔탈피(

)보다 작은 경우, 즉 아래의 수학식 6의 조건이 만족되는 경우에 외기냉방이 적절한 것으로 판단한다.

여기서,

는 상기 외기냉방 도입여부 판단 주기단계(S100)에 의해 설정된 주기 동안의 외기의 엔탈피를 평균한 값

이고,

는 설정된 외기냉방 엔탈피이다.

본 발명은 상기와 같이 외기냉방이 적절한지 여부를 판단할 때 그 기준으로서 판단 주기 동안의 외기의 평균 엔탈피를 사용하기 때문에 잦은 외기냉방 운전으로의 전환이 방지되는 동시에 안정적인 외기냉방이 이루어질 수 있다.

만약 본 단계에서 위의 수학식 6을 만족하지 못하는 경우, 즉 외기의 평균 엔탈피(

)가 설정된 외기냉방 엔탈피(

)보다 크거나 같아 외기냉방이 부적절한 것으로 판단된 경우에는 외기냉방이 이루어지지 않으며, 이 경우에는 외부로부터 도입되는 외기도입량(

)은 미리 설정된 최소 외기도입량으로 결정되며, 일반적으로 급기의 30% 정도에 해당하는 외기가 도입되는 이 비율은 통합제어기에 미리 입력되어 설정된다.

(6) 도입외기량 산출단계(S600)

이 단계는 위 냉방부하 예측단계(S400)에서 산출된 예측 냉방부하를 바탕으로 외기냉방을 행하기 위해 도입하여야 하는 외기의 양을 산출하는 단계로서, 이때 실내의 냉방상태를 고려하지 않고 외기냉방을 행하는 경우 필요 이상의 외기를 도입함으로써 에너지 손실을 야기할 수 있으며, 또한 실내의 과냉방에 따른 쾌적성이 훼손될 수 있기 때문에 외기냉방을 위해 도입하는 외기의 양은 건물의 냉방부하를 제거하는데 필요한 만큼만 도입하면 되고, 만약 건물에 냉방부하가 없는 경우에는 굳이 외기냉방을 행할 필요가 없다.

따라서 본 발명에서는 수학식 1의 건물의 냉방부하(

)가 외기냉방을 위해 실내로 도입되는 외기에 의해 제거되도록 하며, 결과적으로 필요 외기도입량(

)은 아래의 수학식 8에서와 같이 결정된다.

[수학식 1]

여기서,

는 도입되는 외기에 의해 제거되는 열량이며,

는 도입외기량이고,

는 설정된 실내 냉방조건에서의 공기의 엔탈피이며,

는 외기냉방을 위해 실내로 도입되는 외기의 엔탈피로서 판단 주기 동안의 외기 엔탈피의 평균값(

)이 사용된다.

그리고 상기의 수학식 16에 의해 결정된 필요 도입외기량(

)이 공기조화기의 최대 급기풍량(

)보다 큰 경우에는 도입외기량(

)은 최대 급기풍량(

)으로 설정되고, 반대로 필요 도입외기량(

)이 공기조화기의 최소 급기풍량(

)보다 작은 경우에는 도입외기량(

)은 최소 급기풍량(

)으로 설정된다.

(7) 판단 반복여부 결정단계(S700)

이 단계는 외기냉방 수행여부에 대한 판단을 계속할 것인지를 결정하는 단계로서 냉방기기의 누적 운전시간이 미리 설정된 하루 동안의 운전 시간을 초과하는 경우 외기냉방 수행여부에 대한 판단이 종료된다.

위에서는 도 2에 도시된 바와 같이 기상청에서 예보하는 기상상태 정보를 하루 중 어느 한 시점에 입력하고, 이 입력된 기상상태 정보와 건물의 목표 실내온도에 기초하여 냉방부하를 예측한 다음, 외기냉방을 수행할지 여부를 결정하는 과정과 도입외기량을 산출하는 과정만 반복하는 것으로 하여 설명하였으나, 이와 달리 도 3에 도시된 바와 같이 외기냉방을 수행할지 여부를 결정하기 전에 기상청에서 예보하는 기상상태 정보를 매회 입력하고, 이 입력된 기상상태 정보에 기초하여 냉방부하를 예측하는 과정을 매회 반복하는 것으로도 실시할 수 있으며, 이 경우에는 기상청에서 예보하는 기상정보가 계속 업데이트되어 입력되고, 이에 기초하여 냉방부하와 도입외기량 등이 다시 산출되기 때문에 더욱 정확한 냉방운전이 이루어질 수 있다.

본 발명자 등은 본 발명의 유효성을 검증하기 위해 대전 소재 대학건물에 본 발명의 외기를 이용한 냉방시스템의 운전방법을 환절기(5, 6, 9, 10월)에 적용하여 에너지 절감율을 조사하였는데, 조사 결과 아래의 표 3에서와 같이 외기냉방을 도입하는 경우 외기냉방을 도입하지 않는 경우에 비해 14.3%의 에너지가 절감되는 것으로 조사되었고, 실내 냉방 최저온도를 설정 실내 냉방온도보다 0.5℃ 낮게 설정한 경우에는 21.1%, 2℃ 낮게 설정한 경우에는 25.3%의 에너지를 절감되는 것으로 조사되었다.

			에너지 절감율
외기냉방 적용 전			-
외기냉방 적용 후	실내 냉방 최저온도 미고려		14.3%
	실내 냉방 최저온도 고려	(0.5℃)	21.1%
		(1.0℃)	23.6%
		(1.5℃)	24.6%
		(2.0℃)	25.3%

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 실시간으로 실측된 실외의 기상상태 정보를 이용하는 대신 일정 기간(주기) 동안의 실외의 기상상태를 예측하고, 이 예측된 실외 기상상태에 기초하여 외기냉방 적절여부와 냉방부하 및 도입외기량을 산출함으로써 더욱 쾌적한 실내 환경을 구축할 수 있는 동시에 효과적인 에너지 절약을 달성할 수 있다.

Claims

통합제어기의 제어에 의해 외기를 이용하여 냉방시스템을 운전하는 냉방시스템 운전방법에 있어서,
냉방시스템의 운전방법은, 외기냉방이 적절한지 여부를 판단하는 주기를 설정하는 외기냉방 판단 주기 설정단계(S100)와;
기상청에서 예보하는 기상정보를 활용하여 익일의 기상상태를 예측하는 실외 기상상태 예측단계(S300)와;
상기 실외 기상상태 예측단계(S300)에서 예측된 실외 기상상태와 건물의 목표 실내온도에 기초하여 건물의 냉방부하를 예측하는 냉방부하 예측단계(S400)와;
상기 실외 기상상태 예측단계(S300)에 의해 예측된 외기상태를 기준으로 외기의 엔탈피를 구한 다음, 상기 구해진 외기 엔탈피를 기준으로 외기냉방이 적절한지 여부를 판단하는 외기냉방 적절여부 결정단계(S500)와;
상기 냉방부하 예측단계(S400)에서 산출된 예측 냉방부하를 바탕으로 외기냉방을 행하기 위해 도입하여야 하는 외기의 양을 산출하는 도입외기량 산출단계(S600) 및;
외기냉방 수행여부에 대한 판단을 계속할 것인지를 결정하는 판단 반복여부 결정단계(S700)로 이루어지고,
상기 냉방부하 예측단계(S400) 전에는 외기냉방을 위해 외기를 도입할 때 실내의 최저온도를 설정하는 실내 냉방 최저온도 설정단계(S200)가 포함됨으로써 설정된 실내 냉방 최저온도가 건물의 목표 실내온도가 되도록 하며,
상기 외기냉방 적절여부 결정단계(S500)에서 외기냉방이 적절한지 여부를 판단할 때에는 판단 주기(
) 동안의 외기의 평균 엔탈피(
)가 설정된 외기냉방 엔탈피(
)보다 작은 경우에 외기냉방이 적절한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 외기를 이용한 냉방시스템의 운전방법.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 도입외기량 산출단계(S600)에서의 외기도입량(
)은 판단 주기(
) 동안의 냉방부하의 평균값을 바탕으로 산출되는 것을 특징으로 하는 외기를 이용한 냉방시스템의 운전방법.
청구항 1에 있어서,
상기 기상상태 정보는 외기냉방을 수행할지 여부를 결정하기 전에 상기 외기냉방 판단 주기마다 입력됨으로써 상기 냉방부하와 도입외기량이 다시 산출되는 것을 특징으로 하는 외기를 이용한 냉방시스템의 운전방법.