Energy Saving Effect of the Night Purge Control using ERV in a School Building

(1)

http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2016.28.11.421

전열교환형 환기시스템을 이용한 학교건물의 나이트 퍼지 적용 효과 분석

Energy Saving Effect of the Night Purge Control using ERV in a School Building

김수연(Su-Yeon Kim)¹, 원정관(Jung-kwan Won)², 김재형(Jae-Hyung Kim)², 송두삼(Doo-Sam Song)^3†

1

성균관대학교 건설환경시스템공학과 ,

²

성균관대학교 글로벌건설엔지니어링학과 ,

³

성균관대학교 건설환경공학부

1

Dept. of Civil and Environmental System Eng., Graduate school of Sungkyunkwan University, Suwon, 16419, Korea

2

Dept. of Global Construction Eng., Graduate school of Sungkyunkwan University, Suwon, 16419, Korea

3

School of Architectural, Civil and Environmental Eng., Sungkyunkwan University, Suwon, 16419, Korea (Received July 18, 2016; revision received September 1, 2016; Accepted: September 13, 2016)

Abstract The indoor temperature of a building increases during the day due to solar radiation. This behavior is significant in school buildings that are finished with high thermal capacity materials. Moreover, in school buildings, windows cannot be opened until the class has finished owing to the security policy of schools. Consequently, classrooms maintain a high temperature throughout the morning. It is thus important to remove the indoor heat before the commencement of classes in order to reduce the cooling energy needed. The Energy Recovery Ventilator (ERV) system is currently being installed in school buildings for ventilating the classrooms. Night-purge control using ERV can be a good strategy to cool the classroom in advance of the operation of the cooling system. However, the optimal operation method of the ERV for night-purge control has not yet been reported. In this study, the effect of night-purge control with ERV in school buildings is analyzed by simulation method. The results of this study showed that the energy saving effect of night-purge control with ERV is most effective in the case of 2 hours operation prior to the commencement of the first lass and when enthalpy based outdoor air cooling is used.

Key words Night purge(나이트 퍼지), Energy saving(에너지 절감), ERV(전열교환형 환기시스템), Thermal storage (축열), TRNSYS simulation(트랜시스 시뮬레이션)

†Corresponding author, E-mail: [email protected]

1. 서 론

건물은 일사로 인해 낮 동안 건물 구조체에 열을 축 적하고 야간에 열을 방출하게 된다 . 특히, 콘크리트와 같이 열용량이 큰 재료로 마감된 건물의 경우 이러한 일사 축열의 영향이 두드러지게 나타난다 . 건물의 일 사 축열은 겨울철 건물의 난방부하를 절감하는데 기여 하지만, 여름철에는 냉방부하 증가의 원인이 되기도 한다. 창호를 통해 유입되는 일사는 고성능 창호나 차 양을 설치하여 차단할 수 있다 . 그러나 벽체의 축열로 인한 냉방부하의 증가는 불가피하다 .

^{(1, 2)}

학교 건물은 콘크리트로 마감되는 대표적인 건물로 축열로 인한 냉방부하의 상승이 우려되는 건물이다. 특 히, 학교 건물은 대부분 남향으로 배치가 되어 낮 동안 실내로 유입되는 일사가 많고 벽면적 비율이 높아 축

열이 많이 발생한다. 또한 학교 건물의 특성상 수업시 간 이후 각 교실의 창과 문이 모두 폐쇄하기 때문에 실 내에 축열된 열이 쉽게 배출되지 못한다 . 이렇듯 야간 에 방출 또는 배출되지 못한 열은 교실에서 아침부터 냉방 가동을 유발하게 되며, 냉방에너지 소비 증가의 원인이 된다. 따라서 여름철 나이트 퍼지(Night Purge) 를 통해 학교 건물에 축열된 열을 배출하는 것은 학교 건물에서 초기 냉방부하 저감에 일조할 수 있을 것이다 .

현재 학교 건물에는 교실의 냉난방과 환기를 위해

시스템에어컨 (AC)과 전열교환형 환기장치(ERV)가 구

비되어 있다. 전열교환형 환기장치는 신선한 외기를

도입하는 동시에 전열교환을 통해 냉난방에너지를 절

감하는 장치이다 . 그러나 외기도입 시 전열교환은 외

기조건에 따라서는 냉방기에 냉방에너지 증가를 유발

할 수 있다 .

^{(3, 4)}

따라서 최근에는 냉방기에 외기조건에

(2)

Table 1 Performance of the AC system MAX

Performance Capacity(HP) 5

Cooling(kW) 9.8 Power

consumption

Outdoor unit(W) 7,192 Indoor unit(W) 85

Air flow rate(CMH) 800

Table 2 Performance of the ERV system MAX

Air flow rate(CMH) 800

Power consumption(W) 290 Heat exchange rate(%) Sensible 71

Latent 44 Table 3 Simulation conditions Weather Data Seoul, Korea(TMY2)

⁽¹³⁾

Simulation Period 7/3~7/5(3days) Zoning

Site J. Highschool in Gimpo, 2F

Volume(m³) 174.82

Area(m²) 67.24

Occupants(person) 30

Heat Gain

person

Sensible Heat(W) 65/person Latent Heat(W) 55/person Activity Seated,

very light writing

Lighting(W/m²) 15

System Operation Schedule

⁽¹⁴⁾

weekday 08:00~16:30(on) other hour(off)

Set Point 26℃

Fig. 1 Floor plan of the analyzed classroom.

따라 전열교환을 실시하지 않고 외기를 바로 도입하는 바이패스 모드가 설치된 전열교환기가 도입되고 있다 .

전열교환 장치의 바이패스 모드는 온도와 엔탈피를 기반으로 제어되는데, 온도 기반 제어는 온화한 기후대 에서 , 엔탈피 기반 제어는 습한 기후에서 적합하다. 그 러나 각각의 제어방식에서 잠열의 영향을 고려해야 하 며 , 특히 여름철 잠열부하가 증가하는 측면을 고려해야

한다.

^{(3, 5)}

한국과 같이 여름철 덥고 습한 기후에서는 엔

탈피 제어가 온도 제어보다 효과적이며 , 엔탈피 제어 시 잠열부하를 고려하기 때문에 온도 제어 보다 외기 도입량이 감소하는 것으로 나타났다 . 엔탈피 기반 외기 도입 제어의 에너지 소비량이 가장 적게 나타났다.

^(6-8)

나이트 퍼지 운전에 관한 종래의 연구로 Artmann 등 은 기후 변수에 의한 나이트 퍼지 효과

⁽⁹⁾

를 분석하고, 나이트 퍼지 운전에 영향을 미치는 인자 (구조체, 열취 득 , 도입외기량, 열전달율)들에 대해 시뮬레이션을 통 해 그 영향을 검토하였다 .

⁽¹⁰⁾

그 결과 도입 외기량이 가 장 큰 영향을 미치며 , 축열 용량, 내부발열 등도 중요한 인자라고 보고하고 있다. Seppanen et al.

⁽¹¹⁾

은 나이트 퍼 지 운전을 효과적으로 하기 위해서는 건물의 특징 (재 실인원, 건물용도 등)과 ERV의 팬동력을 고려해야 한 다고 실험을 통해 제안하고 있다 .

그러나 종래의 연구에서는 전열교환형 환기장치(ERV) 를 이용한 나이트 퍼지 운전의 적정 운전시간 및 제어 방법에 대한 논의는 이루어지지 않았다 . 따라서 본 연 구에서는 나이트 퍼지 제어방법 및 운전시간에 따른 실내온도 변화 및 에너지 소비량을 검토하고자 한다.

2. 시뮬레이션 분석 2.1 분석 대상건물 개요

분석 대상건물은 Fig. 1과 같이 경기도 김포시 장기동 의 J고등학교 A동으로 2층 중간에 위치한 면적 67.24 m², 층고 2.6 m의 교실이다. 해당 교실은 시스템에어컨 (AC)과 전열교환형 환기장치(ERV)가 설치되어 있으며, 시스템 성능과 전력 소비량은 Table 1, Table 2와 같다.

2.2 시뮬레이션 개요 및 분석 케이스

실내 환경 및 에너지 사용량을 분석하기 위해 시뮬 레이션 분석은 TRNSYS

⁽¹²⁾

을 이용하였다. TRNSYS 시 뮬레이션은 다양한 HVAC 모델링이 가능하고 자유로 운 알고리즘 구현이 가능하다 . 따라서 TRNSYS 시뮬 레이션을 사용하여 시스템에어컨 (AC)과 전열교환형 환 기장치(ERV)가 설치되어 있는 학교에 ERV를 이용한 나이트 퍼지 제어를 실시하여 그 효과를 분석하였다.

시뮬레이션의 기후데이터는 대한설비공학회에서 작

성한 서울지역의 기후데이터

⁽¹³⁾

를 사용하였으며 , 실내 설

정온도, 실내 내부발열, 시스템 운전스케줄 등의 시뮬레

이션 조건은 Table 3과 같다. 실내 내부발열 스케줄 및

AC 운전시간은 고등학교 학급 일일 이용시간

⁽¹⁴⁾

에 따라

동일하게 설정하였다 . 시스템은 학교 건물의 1인당 필요

환기량 21.6 CMH,

⁽¹⁴⁾

재실인원 30명

⁽¹⁵⁾

을 기준으로 하여 ,

적정 성능을 가진 AC와 ERV 사양

⁽¹⁶⁾

을 적용하였다. 벽체

구성 및 열적특성은 Table 4와 같으며 나이트 퍼지 적용 시간

의 대부분이 야간이기 때문에 일사는 고려하지 않았다 .

(3)

Table 4 Characteristics of wall materials Thickness

(m)

Thermal conductivity (kJ/hmK)

Heat Capacity (kJ/kgK)

Density (kg/m

³

)

External wall

Concrete 0.2 5.86 0.88 2198

Insulating Files 0.006 0.14 0.84 12

Granite Stone 0.030 12.60 1 2800

Interior wall

Cement Mortar 0.014 5.02 1.13 2019

Brick 0.2 2.92 1 1800

Cement Mortar 0.014 5.02 1.13 2019

Table 5 Simulation cases

Case Mode System Operation Time

AC ERV

CASE 1 AC

08:00~16:30

No operation CASE 2-1

AC+Night Purge (Heat Exchange Mode)

02:00~08:00 6 hours

CASE 2-2 06:00~08:00 2 hours

CASE 2-3 07:00~08:00 1 hours

CASE 2-4 07:30~08:00 30 mins

CASE 3-1

AC+Night Purge (ERV Bypass mode)

02:00~08:00 6 hours

CASE 3-2 06:00~08:00 2 hours

CASE 3-3 07:00~08:00 1 hours

CASE 3-4 07:30~08:00 30 mins

시뮬레이션 케이스(Table 5)는 야간 나이트 퍼지 제 어가 없이 수업시간 동안 AC만 가동하는 Case 1, ERV 전열교환모드를 적용하여 나이트 퍼지 제어를 실시하 는 Case 2, 외기조건에 따라 전열교환을 실시하지 않 는 바이패스 모드로 ERV를 가동하는 Case 3의 3가지 케이스에 대해 분석을 실시하였다 . 이때 Case 3은 실 외엔탈피가 실내 엔탈피보다 작을 때 , 전열교환을 하 지 않고 fan만 가동하였다. 아울러 이들 3가지 케이스에 대해 ERV를 이용한 나이트 퍼지 운전시간을 6시간, 2 시간 , 1시간, 30분으로 설정하여 각각의 운전시간에 대 한 실내온도 , 실내 벽면 온도의 변화 및 AC와 ERV의 에너지 사용량을 비교하였다.

2.3 시뮬레이션 결과

나이트 퍼지 제어의 초기 냉방부하 및 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 냉방기인 7월 3일부터 5일까 지 3일 동안 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 학교 운 영 시작시간인 08시를 기준으로 각 케이스 별 08시 실내온도 및 실내 벽면 온도와 에너지 사용량을 분 석하였다 .

2.3.1 실내온도 및 AC 가동시간 분석

Fig. 2~Fig. 5는 나이트 퍼지 운전 시간을 6시간, 2시 간, 1시간, 30분하였을 때, 각 검토 케이스에 대한 실내

온도와 AC의 가동 시간을 나타낸 그래프이다. TRNSYS 에서는 1개의 존에 1개 이상의 air-node를 설정할 수 있으며 , 본 연구에서는 실내온도 측정을 위해 실 중앙 에 air-node 1개를 설정하여 분석하였다.

환기시스템을 이용하여 나이트 퍼지 운전을 실시함 에 따라 실내온도는 Case 1, Case 2, Case 3 순으로 낮 게 나타났다. 바이패스 모드로 외기조건이 유리한 경 우에만 외기를 도입하여 나이트 퍼지를 실시한 Case 3 이 나이트 퍼지를 실시하지 않은 Case 1에 비해 약 평 균적으로 약 0.8℃, 나이트 퍼지를 실시하지만 전열교 환 모드로 운전되는 Case 2에 비해 약 0.3℃ 낮은 실내 온도를 나타냈다 . 즉 나이트 퍼지 운전에 의해 냉방시 스템 가동 전 초기 실내온도를 낮출 수 있었다. 아울 러 나이트 퍼지를 실시할 경우에도 바이패스 모드를 적용하는 것이 가장 효과적이라는 결과를 확인하였다.

결과적으로 학교 운영시간 초기 30분 동안의 AC 가 동시간은 Case 1은 24분, Case 2는 약 23.4분, Case 3은 약 22.7분으로 나이트 퍼지를 통해 AC의 가동 시간도 감소됨을 알 수 있다.

Fig. 6은 각 케이스의 나이트 퍼지 운전시간에 대한

3일 동안의 평균 실내온도를 나타낸 그래프이다. 모든

경우에서 바이패스 모드의 Case 3의 실내온도가 가장

낮게 나타났다 . 나이트 퍼지 운전을 6시간 한 경우, 2

시간에 비해 08시 실내온도가 0.2℃, 1시간과 30분 운

전에 비해 0.4℃ 더 낮은 결과를 보였다.

(4)

Fig. 2 Indoor temperature and control signal changes during Night Purge control(6hours).

Fig. 3 Indoor Temperature and control signal changes during Night Purge control(2hours).

※ AC Sign(0 : off, + : on), Heat Exchange Sign((0 : off, + : on)

Fig. 4 Indoor Temperature and control signal changes during Night Purge control(1hours).

Fig. 5 Indoor Temperature and control signal changes during Night Purge control(0.5hours).

(5)

Fig. 6 Average indoor temperature changes according to the operation time of Night Purge control.

Fig. 7 Inside surface temperature changes according to the operation time of Night Purge control(Case 3).

Fig. 8 Cooling load(Case 3).

2.3.2 실내 벽면 온도 분석

Fig. 7은 나이트 퍼지 운전 시간에 따른 축열 제거 성능을 확인하기 위해 Case 3의 08시의 나이트 퍼지 운전 시간별 평균 실내 벽면 온도를 비교하였다.

Fig. 7에서 나이트 퍼지 운전을 6시간 실시한 경우 가 실내 벽면 온도가 23.31℃로 가장 낮게 나타났다.

AC만 가동한 Case 1을 제외하고 30분 동안 나이트 퍼 지 운전하였을 때 23.71℃로 실내 벽면 온도가 가장 높게 나타났다. 즉, 나이트 퍼지 운전 시간이 길수록 대상 교실의 08시 실내 벽면온도는 낮게 나타나, 나이 트 퍼지 운전을 통한 실내 축열 제거 성능을 확인할 수 있었다.

2.3.3 냉방부하 분석

Fig. 8은 바이패스 모드로 나이트 퍼지 운전을 하였

을 때, 08시부터 30분 동안의 가동시간별 냉방부하를 산출한 것이다. Case 3은 바이패스 모드로 나이트 퍼 지 운전은 실내외 엔탈피를 기준으로 ERV가 가동된 다. 나이트 퍼지 운전에 의해 제거되는 현열 및 잠열 량은 다음과 같다.

^



  ×  × 

_

×  

_

 

_

 ×  (1) ^



  ×  × 

_

× 

_

 

_

 ×  (2)

여기서, U : 취출 풍속(m/s), A : 취출면적(m²),

C

p

: 공기비열(kcal/kg℃), r

^o

= 증발잠열(kcal/kg), T

sp

: 취출온도(℃), x

^sp

: 취출절대습도(kcal/kg), T

^r

: 실내온도(℃), x

ⁱⁿ

: 실내절대습도(kcal/kg)

2.3.4 에너지 사용량 분석

학교 건물의 나이트 퍼지 운전시간 및 제어방법에 따라 학교 운영 시작 후 초기 30분 동안의 AC 에너지 소비량과 나이트 퍼지 운전 중 ERV의 에너지 사용량 을 분석하였다 . 총에너지 사용량은 AC의 압축기, 실내 기와 ERV의 에너지 사용량을 합산하였다.

Table 6, Fig. 9는 3일(7/3~7/5) 동안 학교운영 시작

후 초기 30분에 대한 에너지 사용량 평균을 비교한 그

래프이다 . AC의 에너지 사용량은 AC만 가동한 Case 1

이 가장 높게 나타나지만 , 총에너지 사용량은 ERV의

에너지 사용량으로 인해 Case 2가 높게 나타났다. 총

에너지 사용량은 전반적으로 나이트 퍼지 운전을 바이

패스 모드를 적용한 ERV 제어를 한 Case 3이 낮게 나

타났다 . Case 3 중에서도 ERV를 6시간 운전한 경우보

다 2시간 운전한 경우가 22.38 kWh로 가장 적게 나타

났으며 AC만 가동한 Case 1에 비해 약 8.4%의 에너지

절감 효과가 있었다.

(6)

Table 6 Average energy consumption of AC and ERV

Time Case

Energy Use(kWh) AC

ERV Sum (Reduced

ratio) Compressor Indoor

unit

OFF Case 1 23.38 1.05 0 24.43

6 Hours

Case 2 22.25 1.00 1.74 24.99 (+2.3%) Case 3 21.88 0.99 0.86 23.73

(-2.9%)

2 Hours

Case 2 23.01 1.04 0.58 24.62 (-0.8%) Case 3 21.12 0.95 0.30 22.38

(-8.4%)

1 Hours

Case 2 22.63 1.02 0.29 23.94 (-2.0%) Case 3 22.25 1.00 0.19 23.45

(-4.0%)

0.5 Hours

Case 2 22.63 1.02 0.15 23.80 (-2.6%) Case 3 21.50 0.97 0.10 22.57

(-7.6%)

Fig. 9 Average Energy Consumption of AC andERV.

3. 결 론

본 논문에서는 현재 학교에서 일반적으로 사용하고 있는 시스템에어컨(AC)과 전열교환형 환기시스템(ERV) 의 나이트 퍼지 운전 시간 및 제어 방법에 따른 실내 초기온도 및 에너지 소비량을 TRNSYS 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다 . 그 결과는 다음과 같다.

(1) 나이트 퍼지 운전 시간이 길어질수록 학교 건물 운 영 시작 시간인 08시의 실내온도는 감소하였다.

(2) Case 2인 전열교환 모드의 경우, 여름철 외기상태 와 관계없이 전열교환을 통해 외기를 도입함으로 써 초기 냉방부하의 증가를 초래하였다 .

(3) 외기도입에 바이패스 모드를 적용한 Case 3의 아침 08시 실내외 벽면 온도 차는 ERV 가동시간이 6시 간 , 2시간, 1시간, 30분순으로 작아져 나이트 퍼지 운전시간이 길수록 축열 제거성능이 높은 것으로 나타났다.

(4) 바이패스 모드를 적용한 Case 3의 교실 운영 초기 30분 동안의 냉방부하는 ERV를 이용한 Night Purge 운전시간이 길수록 줄어드는 결과를 보였다 . (5) 에너지 사용량은 Case 2와 같이 ERV의 에너지 사용

량으로 인해 전체 에너지 소비량이 증가할 수 있으 며, 바이패스 모드를 적용하는 Case 3이 전반적으 로 전체 에너지 소비량이 낮은 결과를 보였다 . Case 3의 바이패스 모드의 운전시간이 2시간인 경우가 전체 에너지 소비량을 절감하는 측면에서는 가장 효 과적인 것으로 나타났다. 이 케이스는 냉방모드만 가동하는 Case 1과 비교하여 약 8.4%의 에너지 절 감효과를 보였다 .

후 기

본 연구는 2016년도 국토교통부의 재원으로 도시건 축연구사업의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다 (과 제번호 : 15AUDP-B099686-01).

Reference

1. Bojic, M., Yik, F., and Sat, P., 2001, Influence of ther- mal insulation position in building envelope on the space cooling of high-rise residential buildings in Hong Kong, Energy Build, Vol. 33, No. 6, pp. 569-581.

2. Chiraratananon, S. and Hien, V. D., 2011, Thermal per- formance and cost effectiveness of massive walls under Thai climate, Energy Build, Vol. 43, No. 7, pp. 1655- 1662.

3. Liu, J., Li, W., Liu, J., and Wang, B., 2010, Efficiency of energy recovery ventilation with various weathers and its energy saving performance in a residential apart- ment, Energy and Buildings, Vol. 42, No. 1, pp. 43-49.

4. Zhou, Y. P., Wu, J. Y., and Wang, B., 2007, Performance of energy recovery ventilators with various weathers and temperature set-points, Energy and Buildings, Vol.

39, No. 12, pp. 1202-1210.

5. Spltler, J. D., Hittle, D. C., Johnson, D. L., and Pederson,

(7)

C. O., 1987, A comparative study of the performance of temperature-based and enthalpy-based economy cycles, ASHRAE Transactions, Vol. 93, No. 2, pp. 13-22.

6. Kim, M. Y., Kim, Y. I., and Chung, K. S., 2011, Reduc- tion of cooling load using outdoor air cooling, Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 7, No.

1, pp. 51-58.

7. Son, J. E., Hyun, I. T., Lee, J. H., and Lee, K. H., 2015, Comparison of cooling-energy performance depending on the economizer-control methods in a office building, Korea journal of air-conditioning and refrigeration engi- neering, Vol. 27, No. 8, pp. 432-439.

8. Choi, B. E., Kim, H. J., and Cho, Y. H., 2015, A study on performance evaluation of economizer type through simulation in office, Journal of KIAEBS, Vol. 9, No.

3, pp. 229-234.

9. Artmann, N., Manz, H., and Heiselberg, P., 2007, Climatic potential for passive cooling of buildings by night-time ventilation in Europe, Applied Energy, Vol. 84, No. 2,

pp. 187-201.

10. Artmann, N., Manz, H., and Heiselberg, P., 2008, Para- meter study on performance of building cooling by night- time ventilation, Renewable Energy, Vol. 33, No. 12, pp. 2589-2598.

11. Seppanen, O., Fisk, W., and Faulkner, D., 2003, Cost benefit analysis of the night-time ventilative cooling in office building, Healthy Buildings Proceedings 7th inter- national conference, Vol. 3, pp. 394-397.