초저습 드라이룸 공조시스템의 최적 운전 제어에 관한 연구 = Study on the Optimization of a Dry Room HVAC System under Ultra low humidity condition

국문 초록 (Abstract)

초저습 드라이룸 공조시스템의 최적 운전 제어에 관한 연구 논문제출자 이 동 식 지 도 교 수 윤 린 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 시장이 급성장함에 따라, 핵심 부품인 이차전지의 제조 기술 고도화와 생산 공정의 에너지 효율화가 중요한 과제 로 부상하고 있다. 리튬이온배터리는 수분에 매우 민감하여, 제조 공정 중 극미량의 수분 노출만으로도 성능 저하 및 안전 문제를 야기할 수 있다. 이 에 따라 –40 ℃ 이하의 초저습 환경을 구현하는 드라이룸은 필수적인 인프 라로 자리 잡았으나, 핵심 설비인 데시칸트 제습 시스템의 로터 재생 과정에 서 막대한 열에너지가 소비되어 제조원가 상승의 주요 원인이 되고 있다. 본 연구에서는 드라이룸 공조시스템의 에너지 효율 향상을 목적으로, 동적 에너지 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS와 최적화 프로그램인 GenOpt를 연 동한 통합 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 에너지 절감 효과가 우수한 트윈 로터 데시칸트 제습 시스템을 대상으로 하였으며, 입자 군집 최적화(PSO)에 수축 계수 및 메쉬 기능을 결합한 PSOCCMesh 알고리즘을 적용하였다. 하절 기 및 동절기의 극한 기상 조건과 외기 도입량 변화를 고려하여, 목표 노점 온도를 안정적으로 유지하면서 냉방 및 재생 히팅을 포함한 총 에너지 소비 를 최소화하는 최적 운전 제어 전략을 도출하였다. 최적화 결과, 계절별 외기 조건과 외기 유량이 변화하더라도 일관되고 강 건한 최적 제어 패턴이 나타났다. 첫째, 하절기 최대 부하 조건에서는 프리 쿨러와 인터쿨러에 냉방 부하를 집중시키고, 급기 직전 애프터 쿨러의 가동 을 실질적으로 생략하는 운전이 에너지 효율 측면에서 가장 유리한 것으로 나타났다. 둘째, 동절기 최저 기온 조건에서도 외기 냉방에만 의존할 경우 환기 혼합에 따른 온도 상승과 로터 흡착 발열로 인해 목표 도달이 어려우 며, 이를 보완하기 위해 프리/인터쿨링 코일을 이용한 능동적인 냉각이 필수 적임을 확인하였다. 셋째, 외기 유량 변화에 따른 에너지 소비 특성을 분석 하였으며, 그 결과 하절기에는 외기 도입량을 필요 최소 수준으로 관리하고 전단 집중 냉각 전략이 바람직하며, 동절기에는 일정 수준 이상의 외기 도입 이 오히려 에너지 절감에 기여할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 시뮬레이션 기반 최적화를 통한, 전단 집중 냉각, 후처리 냉각 생략, 저온 재생이라는 실효성 있는 운전 가이드라인을 제시하였다는 데 의 의가 있다. 본 연구의 결과는 향후 이차전지 제조 공정용 초저습 드라이룸 공조시스템의 설계 및 운전 최적화, 운영 비용 절감, 그리고 지속 가능한 생 산 시스템 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차· ⅲ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 기호 및 약어 설명 ⅴ
• 국 문 요 약 ⅶ
• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 국내외 연구 1
• 1.2 연구 필요성 및 목적 7
• Ⅱ. 연구방법 8
• 2.1 초저습 드라이룸 공조시스템의 동적 시뮬레이션 모델링 8
• 2.1.1 대상 드라이룸 시스템 개요 및 TRNSYS 모델 구축 8
• 2.1.2 데시칸트 로터의 모델링 14
• 2.1.3 시뮬레이션 모델의 신뢰도 검증 28
• 2.2 드라이룸 공조시스템 최적화 알고리즘 선정 및 수행 34
• 2.2.1 GenOpt 알고리즘 소개34
• 2.2.2 최적화 알고리즘 선정 및 수행36
• 2.3 드라이룸 공조설비 운전 시나리오 및 성능평가 기준 40
• Ⅲ. 결과 및 고찰 43
• 3.1 문헌 기반 드라이룸 모델링의 비교 및 검증 43
• 3.2 실제 시스템 기반 드라이룸 모델링의 비교 및 검증 47
• 3.3 TRNSYS–GenOpt 연동 드라이룸 공조시스템의 최적화 결과 51
• 3.3.1 하절기 및 동절기에 따른 최적화· 51
• 3.3.2 외기도입 유량에 따른 최적화 55
• Ⅳ. 결론 61
• 참고문헌 64
• ABSTRACT 66