Demand Control Application Strategies for Saving Electric Power Price of Central Cooling System

중앙 냉방시스템의 전력량 요금절감을 위한 디맨드제어 적용방안 연구

황진원^*, 송재엽^*, 안병천^**†

*가천대학교 건축설비공학과 대학원, **가천대학교 건축설비공학과

Demand Control Application Strategies for Saving Electric Power Price of Central Cooling System

Hwang, Jin-Won_*, Song, Jae-Yeob_*, Ahn, Byung-Cheon_**^†

*Department of Building Equipment System Engineering, Gachon graduate school, 461-701 Korea

**Department of Building Equipment System Engineering, Gachon university, 461-701 Korea

Abstract

In this study, computer simulation for demand control strategies to save the electric energy and power price in the building central cooling system is done. The demand control and outdoor reset control algorithms are applied by consideration the electric energy and power price according to the energy consumption characteristics. The suggested control methods show better responses in the power price and energy consumption in comparison with the conventional one.

Key words: Electric power energy(전력에너지), Electric demand control(전력디맨드제어), Outdoor reset control(외기보상제어), Central cooling system(중앙냉방시스템)

1. 서 론

1)

전 세계적으로 유가의 상승으로 인해 경제 전 반에 걸쳐 부정적인 영향을 미치고 있다. 이러한 고유가 시대에 우리나라는 에너지 다소비 국가인 동시에 주요 에너지를 수입에 의존하는 에너지 빈국으로서 에너지 절약에 대한 문제를 생각하지 않을 수 없다.

건물의 에너지 절약방법 중에 있어서 단기간의 연구개발로 에너지의 커다란 절감을 실현시킬 수

†Corresponding author

Tel.: +82-31-750-5309, Fax: +82-31-750-5314 E-mail: [email protected]

접수일 : 2012년 8월 10일

심사일 : 1차:2012년 8월 30일, 2차:2012년 9월 17일 채택일 : 2012년 10월 15일

있는 방법은 시스템의 효율을 극대화할 수 있도 록 하는 건물에너지 운영 관리 및 최적화된 제어 기술의 도입이라고 할 수 있다. 국제 에너지 기구 (IEA)는 건물의 열원 및 공조시스템에서의 에너 지 절약은 주로 시스템의 최적제어를 통해서 효 율을 높일 수 있다는 연구 결과를 제시하였고 이 는 건물 내에서 생활하는 사람들이 쾌적한 열 환 경을 느낌과 동시에 에너지 소모량과 운전비용을 낮추기 위해서는 시스템의 성능을 최적의 상태로 운전해 줌으로써 불필요한 에너지소모를 줄여야 한다는 것을 의미한다.

이에 관련된 연구로써 Kim^[1] 등은 사무소용 빌 딩의 냉방부하의 전력소비특성과 수용률을 분석 하였고 이를 바탕으로 사무용 빌딩의 규모별 설 계 시 부하용량 추정표와 비교분석한 결과 냉방

부하에 사용되는 전력량이 전체의 50～66%까지 차지하는 것을 알 수 있었다.

Hong^[2] 등은 외기보상제어를 중앙난방시스템 에 적용을 하여 기존의 제어방식보다 최대 21.8%

의 절감효과를 기대할 수 있다고 제시하였다.

냉방부하에 사용되는 전력에너지는 사무용 빌 딩에서 사용되는 조명부하, 일반 동력부하와는 달 리 시스템의 제어방식을 통해 전력소비를 효과적 으로 절감할 수 있고, 냉방시스템은 전부 전력에 너지를 사용한다는 점에서 외기보상제어를 냉방 시스템에 적용하였을 경우 상당한 전력에너지 절 감효과를 가져올 것으로 기대된다. 또한 건물의 전력소비요금을 고려하여 냉방시스템을 최적기동 및 정지 하였을 때 전력요금 절약효과 또한 나타 날 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 외기 온도보상제어방법과 디맨드제어를 냉방시스템에 적용하였을 때 나타나는 건물의 열적특성 및 에 너지 해석을 위하여 TRNSYS 프로그램을 이용하 여 건물의 에너지 소모특성을 알아보고 기존의 제어방법과의 에너지소모량을 분석하였다.

2. 해석 조건

Fig. 1은 여름철 국내 총 전력소비량의 변화와

Fig. 1 The comparison of outdoor temperature changes and total electric power energy changes on summer.

해서는 각 부하별 시스템의 최적제어를 하여야 한다. 하지만 Fig. 2의^[3] 사무용 건물의 전력에너 지 소비패턴 그림과 같이 조명부하와 일반 동력 부하는 하루의 건물 사용시간 중 부하변화가 거 의 일정하고 냉방부하에 사용되는 냉동기 소비전 력이 10시에서 16시에 집중적으로 나타나고 있음 을 알 수 있다. Fig. 3은 총 전력소비량과 사무용 건물의 냉방부하 전력사용패턴의 비교그래프로^[3]

분석결과 표시된 부분과 같이 여름철 외기온도가 올라가면서 냉방에 대한 전력소비가 이루어지고 사무용 건물 사용시간에 집중적으로 전력소비량 이 증가한다. 따라서 외기가 증가함에 따라 비례 적으로 증가하는 총 전력소비량은 냉방에 의한 것으로 판단된다.

Table 1은 여름의 시간에 따른 전기요금을 나

Fig. 1 The comparison of outdoor temperature changes and total electric power energy changes on summer.

Fig. 2 The electric power demand pattern of building cooling system.

Fig. 3 The comparison of cooling system energy changes and total electric power energy changes.

상 차이가 난다. 경부하 시간은 23시∼09시, 중간 부하는 09∼11시, 12∼13시, 17∼23시, 최대부하는 11∼12시, 13∼17시로 나타난다. 따라서 요금이 저렴한 경부하시에 낮은 온도로 예냉을 한다면 요금절약이 가능할 것으로 보인다.

Fig. 4는 건물의 축열성능 및 전력량 요금을 고

전력디맨드제어란 전력량 요금이 저렴한 경부 하시나 중간부하시에 기기의 운전을 효율적으로 함으로써 건물의 축냉효과를 이용하여 최대부하 시의 운전을 줄여 전체적인 전력요금을 절약하는 방법이다.

Table 1 The electric power energy charge by time variation on summer

Time Energy charge (won/kWh)

23:00 ~ 09:00 43.4

09:00 ~ 11:00 12:00 ~ 13:00 17:00 ~ 23:00

88.75

11:00 ~ 12:00

13:00 ~ 17:00 153.95

Fig. 4에 대한 설명으로, 건물의 냉방운전은

그러나 이 때 9시부터는 전력량 요금이 중간부 하 요금이 부과됨에 따라 전력요금이 상대적으 로 많이 들어가게 되며, 또한 이 전력요금은 11 시를 기준으로 하여 조명을 소등하는 점심시간

대까지 최대부하 요금이 부과된다. 따라서 9시 이전에 냉방운전을 가동하여 건물을 예냉시킨 후 중간부하 요금이 부과되는 9시에 가동을 멈 추고, 건물의 축열효과가 떨어지는 시점에 다시 가동을 시작하여 운전을 계속적으로 지속하게 된다.

이러한 부분만을 고려해 볼 때 전력요금의 절 약효과를 충분히 볼 수 있을 것으로 판단된다. 그 러나 사무실 건물의 전체적인 냉방에 의한 사용 량을 고려해 볼 때 눈에 띄는 부분은 아니다.

Time (Hour)

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Energy charge(won/kWh)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Operation Signal

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Outdoor temperature(oC)

24 26 28 30 32 34

Outdoor temperature

Conventional control Demand control

Energy charge

Fig. 4 The electricity energy demand forecasting of power demand control algorithms.

Fig. 5 Indoor air temperature comfortable range by variation of outdoor air temperature.

Fig. 5는 외기온도의 변화에 따른 실내공기설

27℃로 변화시키는 외기보상제어의 특성을 나타 낸 것이다.

따라서 건물의 축열성능으로 인한 효과가 끝나 는 시점에 외기보상제어를 적용할 경우 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 절약효과까지 볼 수 있게 되며, 이러한 전력디맨 드제어와 외기보상제어^[3]를 동시에 수행할 경우 전력요금 절감효과는 커지게 된다.

3. 제어 방법

본 연구에서는 이와 같은 제어방법 적용에 따 른 실내 열환경 및 에너지소모 특성을 살펴보기 위하여 Fig. 6과 같이 TRNSYS 15 프로그램 패 키지를 사용하여 시뮬레이션 해석프로그램을 작 성하고 수치해석을 수행하였다.

프로그램에 필요한 전체 존의 체적은 229,987.8m² 이고 기준층 바닥면적이 약 3,833m²으로 층고 3m 인 20층의 서울 성내동의 H건물을 대상으로 하였 다. 본 논문에서는 건물을 하나의 존으로 구성하 기 위하여 건물내부를 외부와 내부로 나누지 않 았다. 이것은 전공기 방식의 중앙 공기조화 시스 템에서의 공조 부하를 최소화하는 목적에서 출발 한 것이기 때문이다.

냉동기 최대 용량은 9,284,700(kJ/h), 팬 용량은 88,560(kJ/h), 냉수 순환 펌프 용량은 224,640(kJ/h), 냉각수 순환 펌프 용량은 60,840(kJ/h)로 구성하였 고, 급기온도 및 냉각수 온도의 제어는 각각 8℃, 1 6℃, 28℃로 시뮬레이션을 수행하였으며, 그림에서 나타내어진 Type 901에서 외기온도를 받아들여 디 맨드제어에 따른 건물 냉방시스템의 운전 기동과 외 기보상제어에 따른 실내공기온도 설정 값을 계산하 여 실내온도를 유지하도록 프로그램을 구성하였으 며, 시뮬레이션 해석 방법은 다음의 Table 2와 같다.

Table 2에서 기존방법은(Conventional control)

Fig. 6 TRNSYS program for office building electric demand control system.

4. 결과 및 고찰

Fig. 7은 건물의 전력디맨드제어 시스템의 시

그림에서 살펴보면 초기에 운전을 시작하기 전 새벽시간에 실내공기온도는 외기온도에 거의 근 접하게 된다. 이때는 경부하시로 운전이 이루어지 고 있지 않으며, 오전 7시에 건물의 예냉을 위해 실내공기 설정온도를 23℃로 하고 냉방시스템이 가동되기 시작한다. 이 후 중간부하시 요금이 부 과되는 9시부터 건물 냉방시스템의 운전은 멈추 게 되고 건물의 축열효과로 인하여 실내공기온도 는 천천히 상승하게 된다. 건물의 냉방시스템이 정지되면서부터 실내공기 설정온도는 외기보상제 어로 인하여 외기온도에 따라 실내공기온도의 설 정점이 계속적으로 변화하게 되며, 건물의 실내공 기온도가 외기보상제어에 따른 실내공기온도의 설정점과 같아지는 순간 냉방시스템은 다시 가동 되기 시작한다.

Fig. 8은 기존의 제어 방법과 외기보상제어만

Table 2 Operation conditions for control methods Control

method Start

time Chilled

water temp

Supply air temp

Indoor air set temp Conventional

control 8:00 8℃ 16℃ 26℃

Outdoor

reset control 8:00 8℃ 16℃

Depending on the out air temperature

changes lDemand

control + Outdoor reset control

7:00 8℃ 16℃

7:00～9:00(23℃) After 9:00 depending on the

out air temperature

changes

Time (Hour)

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Temperature ()℃

20 25 30 35 40

Operation Signal

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Indoor temperature

Indoor set temperature

Outdoor air temperature

Operation signal

Fig. 7 Temperature responses with control method.

Time (Hour)

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Energy consumption (kW)

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

2000 Demand control+Outdoor reset control

Outdoor reset control

Conventional control

Fig. 8 Dynamic graph of real time electric power energy consumption.

그림을 살펴보면 먼저 디맨드제어 및 외기보상 제어를 동시에 수행하였을 경우에 오전 7시부터

에너지 소비량이 눈에 띄게 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이것은 기존제어방법 및 외기보상제 어만을 수행한 제어방법보다 큰 값이다. 그러나 중간부하 요금이 부과되는 9시를 기점으로 하여 디맨드제어를 수행한 방법에는 전력소비가 거의 이루어지지 않았으며, 기존 방법

및 외기보상제어만을 수행한 방법의 경우는 실 내공기 온도가 설정점에 도달함에 따라 초기의 큰 전력소비와는 대조되게 에너지소비가 어느 정 도 줄어들었음을 알 수 있다.

이후 디맨드제어방식은 시스템을 다시 가동하 였을 때부터 외기보상제어만을 수행하는 경우와 에너지 소비량이 거의 동일하였으며, 기존 제어방 법은 이보다 크게 나타났다.

Fig. 9는 3가지 대안에 대한 에너지 소비변화에

앞서 Fig. 8에서 전력에너지 소모량과 비교해 보았을 때 운전초기에는 전력소모량이 크게 나타 났으나 전력요금으로 환산하였을 때는 오히려 중 간부하 및 최대부하 요금이 부과된 오후시간에 전력량 요금이 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

그림에서 디맨드제어의 경우 초기 소비전력이 적은 시간대에 예냉을 함으로써 9시 이후의 중간 부하 시간대의 가동시간을 줄여 요금이 줄어든 것을 알 수 있다.

Fig. 10은 3가지 대안에 대한 전체적인 에너지

그림에서 살펴보면 먼저 전력에너지 소비량을 보 았을 때 기존제어방식 대비 외기보상제어만을 수행 하였을 경우 약 10.4%, 전력디맨드제어와 외기보상 제어를 동시에 수행하였을 경우 약 5.9%의 에너지 절감성능을 나타내었다. 외기보상제어만을 수행하 였을 때에 비해 전력디맨드제어를 동시에 수행하였 을 경우가 약 5% 정도의 에너지가 더 소비되었다.

하지만 이 세 가지 방법을 전력요금으로 환산 하였을 경우 기존방법에 대비하여 외기보상제어 만을 수행하였을 경우 약 6.1%, 전력디맨드제어 및 외기보상제어를 동시에 수행하였을 경우가 약 9.7%의 전력요금 절감 성능을 나타내었고, 이때 외기보상제어만을 수행한 경우와 전력디맨드제어

및 외기보상제어를 함께 수행한 방식을 비교하여 보았을 때 전력에너지 소비량과는 반대로 전력디 맨드제어 및 외기보상제어를 함께 수행한 방식이 약 3.9% 정도의 전력요금 절감 성능을 나타내었다.

Time (Hour)

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Energy charge (won)

2.0e+4 4.0e+4 6.0e+4 8.0e+4 1.0e+5 1.2e+5

Demand control +Outdoor reset control

Outdoor reset control

Conventional control

Fig. 9 Dynamic graph of real time electric power energy charge.

Fig. 10 The comparison for control methods in system.

이로써 미루어 볼 때 전력수요예측에 의한 전 력요금제어 알고리즘인 디맨드제어와 외기보상제 어를 동시에 수행하는 제어방식을 채택하여 적용 할 경우 효과적인 전력요금 절감효과를 가져올 것으로 기대된다. 이 밖에 기존제어방식의 경우 본 연구에 있어서 실내공기 설정온도를 외기보상 제어의 설정값을 고려하여 선정하였으나 설정온 도가 더 낮은 과도한 냉방을 수행하는 경우 전력 요금 절감효과는 더욱 커질 것으로 판단된다.

본 연구에서는 에너지 사용량과 시간에 대한 에너지 사용요금만을 분석하였으나, 추후에 초기 투자비용 등 경제성 분석에 대하여 연구를 진행 하려 한다.

5. 결 론

본 연구에서는 디맨드제어방식과 다른 방식과 의 비교를 통한 에너지 절감 방안을 연구하였다.

디맨드제어를 실시할 경우 전력요금이 저렴한 시간에 예냉을 하고 외기보상제어를 함께 수행한 결과로 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 전력에너지 소비량을 보았을 때, 기존제어 방식 대비 외기보상제어만을 수행하였을 경우 약 10.4%, 전력디맨드제어와 외기보 상제어를 동시에 수행하였을 경우 약 5.9%

의 에너지 절감성능을 나타내었다. 전력디 맨드제어와 외기보상제어를 동시에 수행하 였을 경우가 약 5% 정도의 에너지가 더 소 비되었다.

(2) 전력요금으로 환산하였을 경우 기존방법에 대비하여 외기보상제어만을 수행하였을 경 우, 약 6.1%, 전력디맨드제어 및 외기보상 제어를 동시에 수행하였을 경우 약 9.7%의 전력요금 절감 성능을 나타내었다.

(3) 본 연구에서는 에너지 사용량과 시간에 대 한 에너지 사용요금만을 분석하였으나, 추 후에 초기투자비용 등 경제성 분석에 대하 여 연구를 진행하려 한다.

참고문헌

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3. Kim, D. C. and Song, J. Y. and Ahn B. C.,

2010, A Study on Outdoor Reset Control Application Methods for Central Cooling System Energy Saving Proceedings of the SAREK 2011 Winter Annual Conference, pp.

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