최근에 국내외 에너지 이용 효율성 증대 문제, CFCs등으로 인한 오존층 파괴문제, $CO_2$ 등으로 인한 지구온난화 문제, 실내공기질(IAQ)과 관련된 건물 환기량 증대요구로 인한 건물용 공조시스템(HVAC)의 설계변경 문제 등으로 인해 다양한 종류의 대체 냉방기기가 연구되어 오고 있다. 현재 미국에서는 ASHRAE Standard 62-1989에 의해 실내거주자의 필요한 IAQ와 쾌적함을 유지하기 위해 환기량을 기존의 경우보다 약 3배 이상이 되도록 권장하고 있고 또한 대다수의 미국 주 정부에서 건물설계에 관련된 조례로 ASHRAE Standard 62-1989를 적용하고 있다. 따라서 빌딩공조 설비관계자들은 늘어난 환기 요구량에 따라 잠열냉방용량이 크게 증대되므로 이를 처리하기 위한 새로운 냉방공조기기 시스템기술에 대해 관심이 증대하고 있다. 이에 따라 건조제를 x이용한 냉방 및 제습 시스템이 대체 냉방시스템 또는 기존의 냉방 시스템과 더불어 잠열부하를 처리하는 복합 시스템으로 최근에 다시 상당한 주목을 받고 있다.
최근 클라우드 시스템 환경이 점차 늘어남에 따라 데이터 센터(IDC) 구축이 점차 늘어나가고 있다. 데이터 센터는 최근 부각하고 있는 4 차 산업 영역에서 사물 인터넷(IoT), 자율주행차 등 에서 처리될 대용량 데이터로 인한 이를 처리하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 데이터센터 운영에는 대량의 에너지가 필요하다. 수 많은 컴퓨터에서 발생하는 열에너지를 처리하기 위하여 대량의 전력 냉방 에너지를 소비하고 있다. 냉방 공조 운영은 데이터 센터 운영에 중요한 역할을 한다. 이유는 많은 컴퓨터를 가동하는 비용보다 부대 시설로 운영되는 냉방 에너지를 보다 많이 소비하는 현상까지 발생하고 있다. 이에 최근 데이터 센터 냉방 공조 운영을 효율화하는 것에 연구를 맞추고 있다. 본 논문에서는 냉방 공조 운영 효율화 하도록 하기 위해서 다중 기계 학습을 활용한 데이터 센터의 냉방 에너지 절감 시스템을 제안하고자 한다. 기존의 단수 알고리즘을 활용하여 머신 러닝의 모델구현 방식이 아닌 다중의 기계 학습을 통하여 최적화된 모델을 일일 배치로 생성하여 예측을 하는 시스템이다. 본 시스템을 통하여 사전에 최적화된 냉방 운영을 하여 기존 데이터 센터의 운영되는 과다 냉방을 감축 시켜 에너지를 절감해주는 기능을 제공한다. 본 논문 시스템 연구 결과는 폭발적으로 늘어가고 있는 데이터 센터의 에너지 효율화에 기여할 수 있고, 클라우드 사업에서 경쟁력을 줄 수 있는 운영 시스템 방안을 제시한다.
본 연구에서는 공조용 실외기의 고효율화 및 소형화를 위해 응축기로 사용되고 있는 핀-관 열교환기를 동일한 전면면적의 PF 열교환기로 변경하여 성능변화 및 특성을 조사하였다. 이를 위해 3종의 PF 열교환기를 적용하여 공조기의 성능을 비교평가 하였다. 실험은 공기 엔탈피식 칼로리미터에서 공조기의 냉방능력과 소비전력을 측정하여 COP를 계산하였다. PF 열교환기를 적용한 경우에 핀-관 열교환기보다 냉방능력은 증가하고 소비전력은 감소하여 COP가 향상되었다. PF 열교환기의 핀 피치가 클수록 냉방능력과 COP는 감소하였다.
에너지수요 구조개혁이란 관점에서 볼 때 전력부하 평준화의 한 수단으로서 빙축열이용 공조시스템의 채용과 그 신장이 현저하다. 빙축열이용 공주시스템은 다른 축열이용시스템(예를 들면 수축열)에 비하여 단위체적당의 축열량을 크게 할 수 있어 자 스페이스를 도모할 수 있다. 또 취급이 간단하여 환경에의 영향부하가 적다는 점 등 시대를 대표하는 공조시스템이라 할 수 있다. 미쓰비시전기에서는 타사에 앞서 선진적인 빙축열이용 공조시스템을 개발$\cdot$판매하고 있으며 기종 갖추기, 성능 공히 업계 톱클래스를 유지하고 있다. 채용이 넓어지고 있는 중$\cdot$소규모 빙축열이용 공조시스템은 패키지 에어컨 방식과 Chiller방식으로 대별된다. 전자는 야간전력으로 만든 얼음으로 냉매를 냉각하여 냉방능력을 높여 에너지이용효율(COP)을 올림으로써 주간전력에너지를 삭감하는 것이다. 후자는 야간전력으로 만든 얼음으로 공조용 순환수를 냉각하여 주간에 냉방으로 이용하는 것이다. 어느 방식이나 야간의 전력으로 만들어진 얼음으로 주간에 필요한 전력에너지를 충당하고 있어, 주간전력의 야간전력으로의 시프트를 달성할 수 있는 시스템이다.
수집 농산물의 세척, 선별, 포장 작업 등이 이루어지는 APC 작업장은 하절기에 작업자들이 고온의 환경에 노출되므로 작업환경 개선을 위한 냉방공조가 요구되고 있다. 기존의 전체 냉방 공조방식은 과도한 유지비로 인한 운용상의 어려움이 발생하고 있으므로 설비비 및 운용비가 상대적으로 저렴한 시스템을 적용할 필요가 있다. 본 연구에서는 하절기 APC 작업공간의 효율적 냉방을 위한 냉방시스템 설계의 기초 연구로써 CFD를 기반으로 하여 양압식 및 음압식 팬 앤 패드 시스템과 국소냉방 시스템에 대해 열유동 수치해석을 수행하여 각각의 냉방효과를 예측하였다. 그 결과, 음압식 팬 앤 패드 시스템은 고온 외기의 과도한 유업으로 인해 패드 하류의 일부 영역을 제외한 대부분의 작업영역에서 상대적으로 고온의 온도 분포를 보였으며 기류의 유속분포 역시 낮게 나타나 APC 냉방시스템으로 부적합한 것으로 판단되었다. 양압식 팬 앤 패드 시스템은 직업장의 중심부 및 각 작업영역에 비교적 균일한 저온환경을 조성하나 작업자 위치별로 기류의 유속편차가 크게 나타났다. 국소냉방 시스템의 경우 각 작업자 위치의 상부에서 냉기류가 공급되는 방식이므로 팬 앤 패드 시스템에 비해 작업자 위치에서의 온도분포와 기류 유속분포가 상대적으로 균일하게 나타났다. 양압식 팬 앤 패드 시스템은 냉방기를 사용하는 기존의 공조방식에 비해 설비비 및 유지비가 저렴하나, 실제 APC 작업장의 냉방공조에 적용시에는 팬 소음, 고습환경이 선별기 등 장비에 미치는 영향, 용수공급 및 패드교체 등을 고려하여 보다 신중한 검토가 요구된다.
본 연구에서는 핀-관 열교환기와 평행류(PF) 열교환기를 실외 열교환기로 적용한 공조기의 실내외 온도/습도와 같은 환경변화에 대한 냉방성능을 비교 조사하고자 하였다. KS C 9306의 냉방표준 온도조건을 기준으로 핀-관, 2종류의 PF 열교환기를 적용한 공조기 성능변화를 이해하기 위하여 냉방능력과 COP를 획득하였다. 실험을 위해 공기엔탈피 방식의 칼로리미터를 사용하였다. PF 열교환기는 핀-관 열교환기보다 우수한 열전달 능력을 보였다. 그리고 사각형 핀을 적용한 PF형 공조기의 성능이 삼각형 핀의 경우보다 우수하였다. 실내 토출공기의 유속, 실내온도 그리고 실내상대습도가 높아질수록 냉방능력과 COP는 증가를, 실외온도가 높아질수록 냉방능력과 COP는 감소를, 그러나 실외 상대습도 증가에 따른 성능변화는 미미하였다.
본 연구에서는 핀-관 열교환기와 PF 열교환기의 열전달 특성과 이를 적용한 공조기의 성능을 비교 조사하였다. 또한 공조기의 냉방기간 에너지효율(CSPF)을 평가하였다. 열교환기 실험을 위해 3종류의 열교환기에 대한 열전달 및 압력강하를 그리고 공조기 성능평가를 위해 냉방표준, 냉방저온에서 냉방능력, 소비전력, COP를 산출하였다. 실험은 칼로리미터와 항온수조를 사용하여 수행되었다. 유입공기 속도가 증가함에 따라 열교환기의 열전달율과 압력강하는 증가하였다. PF 열교환기 적용 시스템의 적정 냉매량은 핀-관공조기보다 약 $15{\sim}20%$ 감소하였으나, 냉방능력은 증가, 소비전력은 감소하여 COP는 향상되었다. 사각형 핀을 가진 PF 열교환기가 삼각형 핀보다 냉방능력과 COP가 더 우수하였다. 실환경 온도조건을 반영하기 위해 PF 열교환기와 핀-관 열교환기 적용 시스템의 CSPF가 계산되었다.
우리나라의 여름 기후는 고온 다습한 특징을 갖고 있다. 고온 다습한 지역에서는 습도가 쾌적성을 결정하는데 중요한 요소가 되기 때문에, 습도가 높으면 온도가 그다지 높지 않더라도 쉽게 무더위를 느낀다. 이러한 계절적 특성을 없애 쾌적한 생활을 영위하기 위하여 생활의 질적 향상과 더불어 공조장치의 수요가 매년 두드러지게 증가하고 있다. 특히, 실내의 경우에는 공조장치 중 대표적인 에어컨(air conditioner)으로 냉방을 행함으로써 고온 다습한 여름철의 거주공간을 개선하고 있다. 그러나 고온 다습한 환경하에서의 과다한 에어컨 사용은 인체의 온열 환경적 측면에서 오히려 불리하다. 왜냐 하면, 에어컨에서는 여름철에 잠열(latent heat)을 고려해야 함에도 불구하고 단지 현열비(sensible heat factor)로 취출온도를 결정하고 있기 때문이다. 그 결과, 실내가 과다하게 냉각되어 재실자에게 불쾌감은 물론, 심지어 냉방병도 초래할 수가 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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