1. 서 론

일반적으로 공조시스템 가동은 실내 부하를 제거하여 쾌적한 온열 환경을 조성하는 데에 그 목적이 있다. 공조시스템의 전통적인 온열 환경 제어 방식은 실내 건구온도를 설정온도에 도달시켜 유지하는 건구온도 기반 제어가 일반적이다. 건구온도 기반 온열 환경 제어 방식은 실내 건구온도를 일정한 온도로 유지하는 것에 중점을 두며, 재실자의 온열 쾌적감에 영향을 미치는 물리적 변수(습도, 기류, 그리고 평균 복사온도) 및 개인적 변수(활동량 및 착의량)를 고려하지 않는다.⁽¹⁾ 이로 인해 공조시스템의 가동 목적인 온열 쾌적감 충족과 실제 온열 쾌적감 간의 차이가 발생하며, 이는 재실자의 열쾌적성 불만족 및 공조시스템의 과도한 가동을 야기한다. 이러한 건구온도 기반 제어의 문제점을 개선하기 위해 온열 쾌적감을 기반으로 온열 쾌적범위 내에서 공조시스템을 제어하는 온열 쾌적감 기반 제어 방식이 연구되고 있다.

Zampetti et al.⁽²⁾은 건구온도 기반 공조시스템 제어 기술을 개선하기 위해 PMV(Predicted Mean Vote) 기반 공조시스템 제어 기술을 개발하였다. 해당 연구는 실험을 통해 개발된 제어 기술을 기존 건구온도 기반 ON/OFF 제어와 비교 분석하였다. 분석 결과, PMV 기반 제어 경우에 동절기 실내 열쾌적성은 기존 제어 기술과 유사하게 유지되었으나, 난방 에너지 사용량은 약 17.1% 절감되었다. Hong et al.⁽³⁾은 주거용 건물에서 개별 대사율 변화를 고려한 PMV 기반 공조시스템 제어 기술을 개발하였다. 또한 에너지 시뮬레이션을 통해 개발된 제어 기술을 기존 건구온도 기반 제어와 비교 평가하였다. 개발된 제어 기술을 적용할 경우, 재실자 유무에 따라 PMV는 변화하며 재실자가 있으면 PMV는 매시간 쾌적 범위 내에서 유지되었다. 또한 냉·난방 에너지 사용량은 각각 28.8%, 7.3% 절감되었으며, 에너지 절감률과 PMV 측정을 위한 초기 장비 설치 비용을 고려하여 약 4.15년의 투자회수기간이 요구되는 결과를 보였다. Wu et al.⁽⁴⁾은 실내 열쾌적성 및 에너지 효율 측면에서 PMV 기반 공조시스템 제어의 우수성을 제안하기 위해 건구온도 기반 제어와 PMV 기반 제어의 CFD (Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 시뮬레이션 결과, PMV 기반 제어는 일관된 온도 및 기류 속도를 유지하여 쾌적한 실내 열환경을 조성함과 동시에 건구온도 기반 제어 대비 일간 약 1.6%의 에너지 사용량 절감 효과를 보였다. Wang et al.⁽⁵⁾은 PMV 기반 공조시스템 최적 예냉 제어를 위한 MPC (Model Predicted Control) 기술을 개발하였다. 해당 연구 결과는 PMV 기반 MPC가 건구온도 기반 MPC 대비 PMV 절댓값이 약 0.042 ∼ 0.113 증가하였으나, 잠재적으로 8 ∼ 45%의 에너지 절감이 가능할 것으로 나타났다. 사전 연구 조사 결과는 공조시스템에 건구온도 대신 온열 쾌적감 기반 온열 환경 제어를 적용함에 따라 실내 열쾌적성이 유지 혹은 개선됨과 동시에 약 2% ∼ 45%의 에너지 사용량 절감 가능성을 시사한다.

지난 6년간 수행된 연구 중, 대부분의 연구는 온열 쾌적감 측정을 위한 온열 환경 지표로써 PMV를 채택하였다. PMV는 온도, 습도, 기류, 평균 복사온도, 활동량, 그리고 착의량에 의한 영향을 고려하여 온열 쾌적감을 평가하는 지표이다.⁽⁶⁾

그러나 PMV를 기반으로 실제 공조시스템을 제어하기 위한 PMV 계산은 다양한 실내 환경 변수 측정을 요구하며, 실시간으로 변화하는 실내 환경 변수 측정을 위해 요구되는 다양한 센서 설치의 어려움으로 인해 PMV에 기반하여 실제 공조시스템을 제어하는 것은 실용성이 낮다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 온열 쾌적감 측정을 위한 온열 환경 지표로써 EDT (Effective Draft Temperature)가 제안된다. EDT는 건구온도와 기류속도가 인체에 미치는 영향을 조합하여 계산된 온열 환경 지표이며, 식(1), 식(2)와 같이 계산된다.⁽⁷⁾

여기서 $T_{a}$는 건구온도, $T_{c}$는 실내 설정온도, 그리고 $V_{a}$는 기류속도를 의미한다. EDT는 PMV에 비해 계산 시 요구되는 변수가 적고 측정이 간단하며, 일사에 따른 복사의 영향이 비교적 적은 공간에서 EDT와 PMV는 높은 상관성을 보였다.⁽⁸⁾ 이에 온열 쾌적감에 기반하여 실용적으로 공조시스템을 제어하기 위해 EDT 기반 온열 쾌적범위 제어 기술이 개발되었다.(9) 해당 제어 기술은 EDT를 기반으로 온열 쾌적범위를 자동 설정하고, 실내온도가 온열 쾌적범위 내에서 유지되도록 공조시스템을 제어한다. 그리고 EDT에 따른 운전 유형을 자동 설정함으로써 에너지 사용량을 절감한다. 해당 제어 기술의 목적은 기존 건구온도 기반 제어의 단점을 개선하여 실내 열쾌적성 향상과 동시에 에너지 사용량을 절감하는 것이다. 이에 본 연구는 건구온도 기반 제어 대비 EDT 기반 온열 쾌적범위 제어 기술 적용에 따른 실내 열쾌적성 및 에너지 사용량 변화에 관한 평가를 수행하였다.

2. 연구방법

2.1 연구 수행 절차

본 연구는 목표를 달성하기 위해 시뮬레이션 모델 제작, 온열 쾌적범위 제어 알고리즘 적용, 그리고 시뮬레이션 결과 평가의 세 단계를 통해 수행되었다. Fig. 1은 연구의 전반적인 수행 절차를 나타낸다.

1단계는 시뮬레이션 모델 제작 단계이다. 본 단계는 미국 에너지성에서 제공하는 에너지 시뮬레이션 툴인 EnergyPlus를 이용하여 건물 및 공조시스템 모델을 제작하였다.⁽¹⁰⁾ 제작된 모델은 건구온도 기반 제어가 적용된 Base case이다. 2단계는 온열 쾌적범위 제어 알고리즘 적용 단계이다. 본 단계는 EnergyPlus의 Energy management system(이하, EMS) 기능을 이용하여 제어 알고리즘을 시뮬레이션 모델에 적용하였다. 이는 EDT 기반 온열 쾌적범위 제어가 적용된 Proposed case이다. 그리고 각 Case별 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 3단계는 시뮬레이션 결과 평가 단계이다. 본 단계는 시뮬레이션 수행 결과를 기반으로 Base case와 Proposed case의 실내 열환경 및 에너지 사용량을 비교 평가하였다.

Fig. 1 Overall research process.

2.2 시뮬레이션 모델링

미국 에너지성은 지상 3층의 표준 중형 사무소 건물을 제공한다.⁽¹¹⁾ 본 연구에서는 온열 쾌적범위 제어 성능 평가를 위해 전 층이 불필요하다고 판단하여 1층만을 대상으로 하기 위해 표준 건물 모델의 형상을 수정하여 모델링하였다. 본 연구에서 사용된 건물 모델은 바닥 면적 1,600 m², 층고 3 m의 사무용 건물이다. 건물 외피 구조체의 열관류율은 에너지절약설계기준의 중부 2지역(대전 지역)을 기준으로 설정하였다.⁽¹²⁾ 실내 냉방 설정온도는 26℃, 난방 설정온도는 21℃으로 설정하였다. 또한 공조시스템은 공랭식 히트펌프 시스템이며 실내기 팬, 실외기(압축기 및 실외기 팬)로 구성되어 있다. 공조시스템의 용량은 EnergyPlus의 Autosize 기능을 이용하여 산정하였으며, 대전 지역의 IWEC2(International Weather for Energy Calculation 2.0) 표준 기상데이터를 시뮬레이션에 사용하였다.⁽¹³⁾ 시뮬레이션 기간은 1년 전체(5분 간격으로 계산)이며, 본 연구에서 시뮬레이션 결과는 냉방기(6 ∼ 8월)와 난방기(12 ∼ 2월)로 구분하여 평가하였다. 건물 모델의 외피 형상은 Fig. 2, 시뮬레이션 모델링 입력 값은 Table 1에 나타내었다.

Fig. 2 Building model envelope.

Table 1 Input Parameters used for simulation modeling

Input Parameter				Value
Building	Envelope	Building Type		Office
		Zone Volume		4,800 m3
		Location		Daejeon, South Korea
		Window to Wall Ratio		27%
		U-value	Exterior Wall	0.24 W/m2·K
			Window	1.50 W/m2·K
			Roof	0.15 W/m2·K
			Floor	0.29 W/m2·K
	Zone Condition	Indoor Set-point Temperature	Cooling	26℃
			Heating	21℃
		Internal Gain	People	0.11 person/m2
			Light	20.00 W/m2
			Electric Equipment	11.77 W/m2
System	Capacity	Supply fan		4.0 m3/s
		Outdoor unit		211,814 W
	Fan efficiency			0.7
	Operation hours			8:40 AM ∼ 18:00 PM

2.3 온열 쾌적범위 제어

제안된 제어 알고리즘의 순서도는 Fig. 3과 같다. 제어 알고리즘은 실내 환경 측정을 통해 산출된 EDT를 기반으로 EDT 목표 값에 상응하는 공조시스템의 운전 유형(고속, 중속, 저속, 그리고 송풍 운전모드)을 설정한다. 공조시스템 운전 유형에 따라 설정된 EDT 목표 값에 따라 실내 제어온도가 계산되며, 계산 이후에 업데이트된 실내 제어온도를 기반으로 EDT가 재 산출된다. 공조시스템은 재 산출된 EDT에 상응하는 운전 유형으로 제어된다. 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 상기의 알고리즘이 반복됨으로써 공조시스템은 현재의 실내 열쾌적 상태에 적합하게 운전된다. 이에 따라 실내 열쾌적성은 온열 쾌적 범위 내로 유지되며, 공조시스템의 운전 유형이 실내 열쾌적성에 상응하도록 설정됨에 따라 에너지 사용량 절감이 가능할 것으로 판단된다.

본 연구는 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따른 실내 열쾌적성 및 에너지 사용량 개선 효과를 평가하기 위해 EnergyPlus에서 제공하는 EMS를 이용하여 제안된 제어 알고리즘을 Base case에 적용하여 Proposed case를 제작하였다. EMS는 사용자 정의 프로그래밍을 통해 시뮬레이션 상에 공조시스템, 조명, 기타 장비 등의 고급 제어를 구현하는 기능이다.⁽¹⁴⁾ 제안된 제어 알고리즘은 EnergyPlus 내 프로그래밍 언어인 EnergyPlus runtime language로 변환하여 입력되었다. 본 연구에서 EMS에 입력한 제어 알고리즘의 공조시스템 제어 절차는 Fig. 4와 같이 크게 4단계로 구분된다.

1단계는 공조시스템의 냉·난방 모드 결정 단계이다. 1단계에서는 실내 부하의 시뮬레이션 결과를 기반으로 냉방기 및 난방기를 구분하여 공조시스템의 냉·난방 모드가 결정된다. 이때, 공조시스템의 냉․난방 모드 결정 이후의 냉방 모드와 난방 모드에서 공조시스템 제어 절차는 동일하다. 2단계는 EDT 계산 단계이다. 2단계에서 실내 온도, 실내 설정 온도, 기류 속도의 시뮬레이션 결과를 기반으로 현재 시점의 실내 온열 쾌적 지표인 EDT가 계산된다. 3단계는 공조시스템 운전 상태 선정 단계이다. 3단계에서는 계산된 EDT를 기반으로 공조시스템의 운전 유형과 실내 제어온도가 결정된다. 이때, 공조시스템 운전 유형에 따라 공조시스템의 부분부하 및 기류 속도가 상이하게 제어된다. 4단계는 공조시스템 운전 단계이다. 4단계에서는 공조시스템이 이전 단계에서 결정된 운전 유형과 실내 제어온도를 기반으로 운전되며, 이에 따라 변화한 실내 열 환경을 기반으로 다음 시점의 EDT가 계산된다. 이후, 계산된 다음 시점의 EDT를 통해 다음 시점의 공조시스템 운전 상태 선정, 운전, 그리고 그 다음 시점의 EDT 계산이 반복된다.

Fig. 3 Flow chart for proposed HVAC control algorithm.

Fig. 4 HVAC control procedure in EMS.

3. 시뮬레이션 결과 평가

3.1 냉방기 (6 ∼ 8월)

3.1.1 실내 열환경

본 연구는 온열 쾌적범위 제어 적용에 따른 냉방기의 실내 열환경을 평가하였다. 이를 위해 3.1.1에서는 Base case와 Proposed case의 에너지 시뮬레이션 결과를 기반으로 실내온도와 PMV를 비교하였다. Fig. 5, Fig. 6은 각각 냉방기의 공조시스템 가동 시간 내 실내온도 분포와 월별 공조시스템 가동 시간 내 PMV 변화를 보여준다. 또한 Table 2는 재실 기간의 온열 쾌적감 상태 분포를 나타낸다.

Base case의 실내 온도는 공조시스템 가동 초기를 제외하고 실내 냉방 설정온도인 26℃에 도달하였으며, 재실 기간 동안 설정 온도를 유지하였다. Proposed case는 EDT에 따라 실내온도가 24.2℃ ∼ 27.8℃로 제어되었으며, 이에 따라 재실 기간 동안의 실내 온도는 Base case 대비 넓은 분포를 보였다(Fig. 5 참조). 그러나 Base case의 PMV는 외기부하가 증가하는 오후에 온열 쾌적범위인 -0.5 ∼ 0.5에서 주로 벗어났으며, Proposed case의 PMV는 대부분 온열 쾌적범위 내에 위치하는 결과를 보였다(Fig. 6 참조). 이에 냉방기 Proposed case의 재실 기간 내 온열 쾌적감 상태 분포는 Base case 대비 개선되어 쾌적한 경우가 35.0%에서 97.2%로 증가하였다(Table 2 참조). 이에 따라 Proposed case의 높은 실내온도가 실내 열쾌적성의 악화를 야기하지 않으며, EDT를 기반으로 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 냉방기의 실내 열쾌적성이 건구온도 기반 제어 대비 향상될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 5 Distributions of indoor air temperature during HVAC operation (cooling period)

Fig. 6 Changes in PMV during HVAC operation (cooling period).

Table 2 Distribution of thermal comfort in cooling period

(a) Base case (b) Proposed case

	Cold	Cool	Slightly cool	Neutral	Slightly warm	Warm	Hot	Total
Time [5 min.]	0	0	0	2,492	4,636	0	0	7,128
Distribution rate	0.0%	0.0%	0.0%	35.0%	65.0%	0%	0%	100%
	Cold	Cool	Slightly cool	Neutral	Slightly warm	Warm	Hot	Total
Time [5 min.]	0	0	41	6,931	156	0	0	7,128
Distribution rate	0.0%	0.0%	0.6%	97.2%	2.2%	0%	0%	100%

3.1.2 에너지 사용량

3.1.2에서는 온열 쾌적범위 제어 적용에 따른 냉방기의 에너지 사용량 절감 효과를 평가하기 위해 Base case와 Proposed case의 공조시스템 부분부하율과 에너지 사용량을 비교하였다. Table 3은 부분부하율에 따른 공조시스템 가동 시간을 나타낸다. 그리고 Fig. 7은 Base case와 Proposed case의 실내기 팬, 압축기, 실외기 팬, 그리고 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따른 에너지 사용량 절감률을 보여준다.

Fig. 7 Monthly energy consumptions in cooling period(Base case vs. Proposed case).

냉방기 중 비교적 외기부하가 낮은 6월 Base case의 공조시스템 가동 시간은 ③ ∼ ④ 구간에 다수 분포하였다. 그리고 6월 Proposed case의 공조시스템 가동 시간은 부분부하율이 낮은 ② ∼ ④ 구간에서 Base case 대비 감소하였으나, 공조시스템이 가동되지 않는 ① 구간 및 부분부하율이 높은 ⑤ ∼ ⑥ 구간에서는 증가하는 결과를 보였다. 7, 8월은 높은 외기부하로 인해 Base case의 공조시스템 가동 시간은 부분부하율이 높은 ⑤ ∼ ⑥ 구간에 다수 분포하였다. 그리고 7, 8월 Proposed case의 공조시스템 가동 시간은 부분부하율이 높은 ⑤ ∼ ⑥ 구간에서 Base case 대비 감소하였으나, 공조시스템이 가동되지 않거나 부분부하율이 낮은 ① ∼ ④ 구간에서는 증가하는 결과를 보였다(Table 3 참조).

이에 따라 냉방기 동안 Base case는 14.0 kWh/m², Proposed case는 12.5 kWh/m²의 에너지를 사용하였으며, 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 건구온도 기반 제어 대비 약 10.7%의 에너지 절감률을 보였다. 이때, Proposed case의 실내기 팬 에너지 사용량은 송풍 모드의 작동으로 인해 Base case 대비 증가하였으나, 실외기 (압축기+실외기 팬) 에너지 사용량은 감소하였다(Fig. 7 참조). 이는 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 공조시스템이 적절한 부분부하 상황에서 가동되는 시간 및 공조시스템의 비가동 시간(즉, ① 구간)이 증가하기 때문이다. 따라서 냉방기 동안 온열 쾌적범위 제어 적용은 건구온도 기반 제어 대비 실내 열쾌적성을 향상시킴과 동시에 에너지 사용량을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.

Table 3 Operation times according to part load ratio (cooling period)

Range	Part load ratio	Operation time [5min.]
		Jun.			Jul.			Aug.
		Base case	Proposed case		Base case	Proposed case		Base case	Proposed case
①	PLR = 0.0	6,179	6,546	(↑)	6,582	6,620	(↑)	6,355	6,360	(↑)
②	0.0 < PLR ≤ 0.2	199	41	(↓)	8	30	(↑)	5	38	(↑)
③	0.2 < PLR ≤ 0.4	623	243	(↓)	50	195	(↑)	68	172	(↑)
④	0.4 < PLR ≤ 0.6	901	797	(↓)	311	723	(↑)	261	728	(↑)
⑤	0.6 < PLR ≤ 0.8	453	695	(↑)	747	545	(↓)	526	414	(↓)
⑥	0.8 < PLR ≤ 1.0	285	318	(↑)	1,230	815	(↓)	1,713	1,216	(↓)

3.2 난방기(12 ∼ 2월)

3.2.1 실내 열환경

3.2.1에서는 온열 쾌적범위 제어 적용에 따른 난방기의 실내 열환경을 평가하기 위해 Base case와 Proposed case의 실내 온도와 PMV를 비교하였다. Fig. 8, Fig. 9는 각각 공조시스템 가동 시간 내 실내온도 분포와 월별 공조시스템 가동 시간 내 PMV 변화를 보여준다. 또한 Table 4는 재실 기간의 온열 쾌적감 상태 분포를 나타낸다.

Base case의 실내 온도는 공조시스템 가동 초기를 제외하고 실내 난방 설정온도인 21℃에 도달하였으며, 재실 기간 동안 설정 온도를 유지하였다. Proposed case는 EDT에 따라 실내온도가 20.1℃ ∼ 22.6℃로 제어되었으며, 이에 따라 재실 기간 동안의 실내 온도는 Base case 대비 넓은 분포를 보였다(Fig. 8 참조). 이때, Proposed case의 PMV는 Base case 대비 공조시스템 가동 초기에 우선적으로 온열 쾌적범위에 도달하는 결과를 보였다(Fig. 9 참조). 이에 난방기 Proposed case의 재실 기간 내 온열 쾌적감 상태 분포는 Base case 대비 개선되어 쾌적한 경우가 87.6%에서 95.5%로 증가하였다(Table 4 참조). 이에 따라 Proposed case의 낮은 실내온도가 실내 열쾌적성에 악영향을 미치지 않으며, EDT 기반 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 난방기의 실내 열쾌적성이 건구온도 기반 제어 대비 향상될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 8 Changes in indoor air temperature during HVAC operation (heating period).

Fig. 9 Changes in PMV during HVAC operation (heating period).

Table 4 Distribution of thermal comfort in heating period

(a) Base case (b) Proposed case

	Cold	Cool	Slightly cool	Neutral	Slightly warm	Warm	Hot	Total
Time [5 min.]	0	0	837	5,957	10	0	0	6,804
Distribution rate	0.0%	0.0%	12.3%	87.6%	0.1%	0%	0%	100%
	Cold	Cool	Slightly cool	Neutral	Slightly warm	Warm	Hot	Total
Time [5 min.]	0	0	228	6,501	75	0	0	6,804
Distribution rate	0%	0%	3.4%	95.5%	1.1%	0%	0%	100%

3.2.2 에너지 사용량

3.2.2에서는 온열 쾌적범위 제어 적용에 따른 난방기의 에너지 사용량 절감 효과를 평가하기 위해 Base case와 Proposed case의 공조시스템 부분부하율과 에너지 사용량을 비교 분석하였다. Table 5는 부분부하율에 따른 공조시스템 가동 시간을 나타낸다. 그리고 Fig. 10은 Base case와 Proposed case의 실내기 팬, 압축기, 실외기 팬, 그리고 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따른 에너지 사용량 절감률을 보여준다.

난방기 동안 Base case의 공조시스템 가동 시간은 부분부하율이 낮은 ② ∼ ④ 구간에 다수 분포하였다. Proposed case의 공조시스템 가동 시간은 Base case 대비 ② ∼ ④ 구간에 감소하였으며, 외기 부하가 비교적 적은 2월을 제외하고 공조시스템이 가동되지 않는 ① 구간 및 부분부하율이 높은 ⑤ ∼ ⑥ 구간에 증가하였다 (Table 5 참조).

이에 따라 난방기 동안 Base case는 4.5 kWh/m², Proposed case는 3.6 kWh/m²의 에너지를 사용하였으며, 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 건구온도 기반 제어 대비 21.2%의 에너지 사용량 절감률을 보였다. 이때, 모든 공조시스템 구성요소 (즉, 실내기 팬 및 실외기)에서 에너지 사용량이 절감되었다(Fig. 10 참조). 이는 온열 쾌적범위 제어를 적용함으로써 공조시스템이 높은 부분부하 상황(즉, ⑤ 구간)에서 가동되는 시간이 증가하여 실내 난방부하가 신속하게 제거됨에 따라 공조시스템의 비가동 시간(즉, ① 구간)이 Base case 대비 증가하였기 때문이다. 따라서 난방기 동안 온열 쾌적범위 제어는 건구온도 기반 제어 대비 실내 열쾌적성을 개선시킴과 동시에 에너지 사용량을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.

Table 5 Operation times according to part load ratio (heating period)

Range	Part load ratio	Operation time [5min.]
		Jun.			Jul.			Aug.
		Base case	Proposed case		Base case	Proposed case		Base case	Proposed case
①	PLR = 0.0	6,698	7,980	(↑)	6,622	7,782	(↑)	6,286	7,327	(↑)
②	0.0 < PLR ≤ 0.2	745	0	(↓)	665	1	(↓)	540	0	(↓)
③	0.2 < PLR ≤ 0.4	807	51	(↓)	933	31	(↓)	809	54	(↓)
④	0.4 < PLR ≤ 0.6	509	331	(↓)	526	304	(↓)	316	293	(↓)
⑤	0.6 < PLR ≤ 0.8	140	543	(↑)	132	663	(↑)	82	365	(↑)
⑥	0.8 < PLR ≤ 1.0	29	33	(↑)	50	147	(↑)	31	25	(↓)

Fig. 10 Monthly energy consumptions in heating period (Base case vs. Proposed case).

4. 결 론

본 연구의 목적은 시뮬레이션 환경에서 EDT 기반 온열 쾌적범위 제어 기술의 실내 열쾌적성 개선 및 에너지 사용량 절감 효과를 평가하는 것이다. 이를 달성하기 위해 건물 에너지 시뮬레이션 툴인 EnergyPlus의 EMS를 이용하여 온열 쾌적범위 제어 알고리즘을 시뮬레이션 모델에 적용하였고, 기존 건구온도 기반 제어와 제안된 온열 쾌적범위 제어의 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 건구온도 기반 제어와 온열 쾌적범위 제어의 실내 열쾌적성 비교 결과, 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 공조시스템 가동 시간 내 실내온도 분포 범위는 건구온도 기반 제어 대비 확대되었다. 또한 온열 쾌적범위 제어는 기류 속도를 고려하여 실내 온열 쾌적성이 개선됨에 따라 냉방기에 97.2%, 난방기에 95.5%의 재실 기간 동안 쾌적한 상태를 유지하였다. 공조시스템에 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 건구온도 기반 제어 대비 실내 열쾌적성이 향상되었다.

(2) 건구온도 기반 제어와 온열 쾌적범위 제어의 에너지 사용량 비교 결과, 온열 쾌적범위 제어를 적용함에 따라 냉방기는 송풍모드로 인해 실내기 팬 에너지 사용량이 증가하였고, 압축기와 실외기 팬 에너지 사용량은 감소하였다. 이에 따라 온열 쾌적범위 제어의 냉방기 전체 에너지 사용량은 건구온도 기반 제어 대비 10.7% 감소하였다. 또한 난방기는 실내기 팬, 압축기, 그리고 실외기 팬 에너지 사용량이 건구온도 기반 제어 대비 감소하였으며, 이에 난방기 전체 에너지 사용량은 21.2% 감소하였다. 냉·난방기 에너지 사용량 절감은 부분부하율에 따른 가동 시간 분포가 변화함에 따라 온열 쾌적범위 제어가 적용된 공조시스템의 비가동 시간 증가에서 기인하였다. 공조시스템에 온열 쾌적범위 제어를 적용하여 건구온도 기반 제어 대비 에너지 사용량이 절감되었다.

본 연구 결과는 EDT 기반 온열 쾌적범위 제어를 공조시스템에 적용함에 따라 전통적인 건구온도 기반 제어 대비 실내 열쾌적성 개선 및 에너지 사용량 절감의 가능성을 시사한다. 그러나 본 연구는 시뮬레이션 환경에서 수행되었기 때문에 시뮬레이션 결과와 실제 공조시스템에 적용한 결과를 비교하여 제어의 실제 적용 가능성에 대한 검증이 요구된다.