빙축열 시스템의 익일 방냉량 예측 기계학습 모델 및 제어

신한솔(Shin, Han-Sol),서원준(Suh, Won-Jun),추한경(Chu, Han-Gyeong),라선중(Ra, Seon-Jung),박철수(Park, Cheol-Soo) 대한건축학회 2017 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.33 No.11

In South Korea, an ice thermal storage system is popular because night-time electricity rate is cheaper than daytime rate. A spherical ice ball system is one of the most popular ice thermal storage systems used in Korea. However, it is difficult to estimate the degree of freezing and defrosting of the spherical ice ball system and thus, excessive icing commonly occurs in order to prevent any shortage of stored ice. If this rule-of thumb control can be replaced by a simulation model-based control, there would be significant potential for energy savings. In this study, the authors developed 25 machine learning simulation models for the spherical ice thermal storage system installed in a 30-story office building (gross floor area: 32,600m2) located in Seoul, Korea. Five different machine learning algorithms (Artificial Neural Network, Support Vector Machine, Gaussian Process, Random Forest, and Genetic Programming) were used for five different input scenarios, respectively. The 25 machine learning models are accurate enough to predict the amount of icing required for the following daytime. In addition, with the use of Model Predictive Control (MPC), 16.8% of excessive icing during overnight can be reduced and 15% of cooling energy (chiller, cooling tower, Brine pump, etc.) can be saved.

관 내부 냉매비등이 있는 수직관 외부 얼음 형성 연구

Nguyen Minh Phu,이근식(Geun Sik Lee) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.2

얼음 제조와 잠열 저장 등에서 수직관 내부를 저온의 냉매를 흘려, 관 외부의 물을 얼리는 과정에서 내부 냉매의 비등열저항과 외부 얼음열저항이 얼음형성에 미치는 영향에 대하여 조사되었다. 상변화 및 비등열전달 관계식들이 도입되어 얼음두께와 관련변수들이 해석되었으며, 작동유체로는 냉매 22 와 냉매 134a 가 사용되었다. 이들의 건도는 0-0.8 범위이다. 해석결과, 최초 약 30 분까지는 내부냉매의 대류저항이 얼음의 전도저항에 비하여 높으나, 그 이후 얼음의 두께 증가에 따른 얼음전도저항의 현저한 증가로 인하여 냉매에 공급되는 열플럭스가 감소되므로 냉매 측 건도와 비등 및 대류열전달계수도 현저히 감소함을 알 수 있었다. 냉매 22 는 대류열전달계수가 냉매 134a 보다 높아서 단위 면적 당 더 많은 얼음을 생성할 수 있음을 알 수 있었다. An ice-making model has been developed and analyzed in this study. The effects of the following on the ice formation on the outer surface of a tube in which a refrigerant flows and boils are numerically investigated: thermal resistance of the refrigerant and thermal resistance of the ice formed on the outer surface of the tube. The ice thickness and related variables are analyzed in the case of the refrigerants R22 and R134a by using the expressions for phase-change heat transfer and boiling heat transfer coefficient. Vapor qualities of the refrigerants range from 0 to 0.8. As a result, up to the first 30 min, the internal convection resistance is higher than the thermal resistance of the ice on the external surface of the tube. However, after about 30 min, the thermal resistance of the ice increases remarkably due to the increase in the ice thickness. Thus, the heat flux to the refrigerant decreases, and further, the refrigerant quality and the boiling heat transfer coefficient also decrease. As the heat transfer coefficient of R22 is higher than that of R134a, the mass of the ice formed when R22 is used is higher than that formed when R134a is used.

관 내부 비등이 있는 수직관 외부 얼음 형성 연구

Nguyen Minh Phu,이근식(Geun Sik Lee) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

얼음 제조와 잠열 저장 등에서 열전달 향상을 위하여 수직관 내부를 저온의 냉매가 흐르도록 하여, 관 외부의 물로부터 열을 흡수하여 얼음이 형성되는 현상에 대하여 해석되었다. 상변화 열전달 및 비등 열전달 관계식들이 도입되어 해석되었으며, 작동유체로는 냉매 22와 냉매 134a가 사용되었으며, 이들의 건도는 0-0.8 범위이다. 5시간 얼음제조과정을 기준으로 할 때, 최초 2 시간 이내에 형성되는 얼음의 양이 총 얼음 양의 약 45%이상을 차지하였다. 얼음의 열저항이 얼음 형성에 미치는 영향은 비등 열전달계수, 열플럭스와 건도와 같은 다른 변수들에 비하여 현저하였다. 냉매 22의 열전달 계수는 냉매 134a 의 경우보다 높다. 따라서 냉매 134a 보다 냉매 22를 사용한 경우의 얼음 두께가 두껍다. 열전달 면적에 대한 얼음 질량의 비를 살펴보면, 냉매 22의 경우가 냉매 134a 의 경우보다 높다. An ice making model has been developed and analyzed. In order to improve heat transfer, ice is frozen on the outer surface of a tube cooled directly with boiling refrigerant to flow internally. The model is based on available expressions about phase change heat transfer and boiling heat transfer coefficient. R22 and R134a were used as heat transfer fluids and their vapor qualities were in range of 0 to 0.8. The mass of ice formed within 2 hour took up nearly half of total mass of ice. The results show that influence of ice thermal resistance on other parameters such as boiling heat transfer coefficient, heat flux and quality is remarkably higher, compared with until the ice has not been formed yet. Heat transfer coefficient of R22 is higher than that of R134a. Therefore, ice thickness in case of R22 is thicker and shorter than that in R134a. The ratio of mass of ice to heat transfer area for R22 is also higher than that for R134a. The model and results can be applied to both ice making and latent thermal energy storage.

다양한 아이스 볼 형상에 대한 복합열전달의 수치해석

박서원(Seo Won Park),김명수(Myoung Soo Kim),전병진(Byoung Jin Jeon),최형권(Hyoung Gwon Choi) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.9

본 연구에서는 캡슐형 빙축열시스템에 적용되는 다양한 형상들을 가지는 아이스 볼에 대한 복합열전달 해석들을 수행하였다. 형상은 구 형상과 열전달 표면적을 넓힐 수 있도록 설계한 3가지 다른 형상을 포함하여 총 4가지 형상을 고려하였다. 볼 주위의 유동은 레이놀즈 수 300의 층류 유동으로, 볼 외부와 내부의 강제대류 및 자연대류를 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 상용해석 코드인 ANSYS- FLUENT를 사용하여 비정상 열유동 해석을 수행하였다. 볼의 형상이 열전달에 미치는 영향을 고찰하여, Bone, Dimple, Hole, Sphere 형태 순으로 열전달 효율이 좋음을 확인하였다. 전체해석 기간 동안에 캡슐 내부 유체의 평균온도 차이는 최대 0.9℃정도였다. 대용량 시스템의 경우 축열조 내에 30만개 이상의 캡슐이 들어가므로 캡슐 형상이 시스템 효율에 미치는 영향이 중요함을 확인하였다. In this study, numerical simulations were conducted for conjugate heat transfer around ice balls in an encapsulated ice thermal storage system. Four shapes of ice balls were modeled; the default one was a sphere, and the other three shapes were designed to enhance convective heat transfer through the ball surface. The flow around the ball was laminar, for which the Reynolds number was 300, and both forced and natural convections inside and outside the balls were considered. The simulations revealed that the magnitude of convective heat transfer for the different shapes decreased in the following order: bone, dimple, hole, and sphere. For the entire simulation, the maximum difference in the average temperatures of water inside the capsules was found to be 0.9℃. Therefore, it can be said that the effect of ice-ball shape on the performance of the ice thermal storage system is significant, considering that more than 0.3 million balls are used in this system.

Evaluation of Control Methods of Ice Thermal Storage Systems

Pyeongchan Ihm(임병찬),Sang-Jin Lee(이상진) 한국생활환경학회 2006 한국생활환경학회지 Vol.13 No.2

상업용 건물의 공조시스템은 하절기에 건물의 냉방을 위하여 많은 양의 전력의 사용량을 필요로 하며, 미국에서는 하절기동안 60%가 상업용 건물의 냉방용 공조시스템 및 플랜트의 전력사용량을 차지하고 있다. 따라서 전력에너지 사용의 효율성을 높이기 위해서 심야전력을 사용하는 빙축열시스템을 이용할 경우 주간의 최대전력부하를 줄일 수 있으며, 또한 건물의 전력에너지 비용을 크게 줄일 수 있다. 본 논문은 빙축열시스템을 이용하여 냉동기 우선방식, 빙축열시스템 우선방식, 그리고 빙축열시스템의 최적제어 방식을 통하여 전력에너지 사용의 효율적인 제어방안에 관하여 연구하였다. 연구결과, 빙축열시스템을 이용한 냉동기 우선제어방식보다 빙축열시스템의 최적제어를 실시하면 약 16%, 또한 빙축열시스템 우선 방식의 경우는 약 27%의 냉방에너지의 비용을 절약 할 수가 있었다. The HVAC systems require large amount of electrical energy use to maintain cooling setpoint temperature during summertime. Especially, 60% of total energy use in the United States is consumed in operating HVAC systems and plants in commercial buildings during summer. To increase the efficient electrical management ice thermal storage (ITS) systems operated during nighttime can reduce the daytime peak electrical demand and expect the electrical energy cost savings in a building. The purpose of this research is to investigate the effective control method of ITS systems to achieve the potential building energy cost savings. Therefore, conventional ITS control strategies including chiller-priority control and ice storage￢priority control strategies are compared to optimal ITS control strategy. This research concluded that optimal ITS control achieve 16% and 27% higher savings that those obtained by chiller-priority and ice storage-priority control, respectively.

빙축열시스템의 에너지소비량 계산프로그램에 관한 연구

문기선,하옥남 朝鮮大學校 機械技術硏究所 2003 機械技術硏究 Vol.6 No.2

국가경제의 발전과 더불어 국민의 생활수준이 향상되면서 여름철 냉방전력소비가 증가하는 추세를 보이고 있으며, 특정시간대에 편중되어 국가적으로 전력수요관리에 큰 차질을 빚고 있다. 이러한 여름철의 높은 냉방전력소비를 해결하기 위해서는 발전설비를 건설해야 하나, 건설비용의 문제와 발전설비 건설예정지의 주민집단반발 등에 의해 어려움을 겪고 있다. 정부에서는 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 심야전기를 사용하는 빙축열시스템과 흡수식냉동기의 사용을 권장하고 있다. 빙축열시스템은 값싼 심야전기를 이용하여 냉기를 저장하였다가 부하가 발생하는 주간이 냉방을 하는 방식이다. 특히 주간에 집중되는 전력소비 경향을 억제할 수 있으며, 사용자는 운전비용의 절감효과를 볼 수 있다. 그러나 빙축열시스템은 타 냉방시스템보다 장비가 많아 시스템이 복잡해지는 단점을 가지고 있으며, 장비선정에 있어서도 고려되어야 할 사항들이 많기 때문에 시스템 설계 시 많은 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 빙축열시스템 설계를 간편하고, 정확하게 할 수 있도록 프로그램을 개발하였다. 그리고 실제 빙축열시스템의 설치 및 운전을 통해 얻은 운전비와 설계 프로그램으로 구한 값을 비교해 보았다. 또한 시뮬레이션 프로그램을 통해 사무용건물의 소비전력량 및 운전비용을 손쉽게 구할 수 있는 수식을 산출하였다. 따라서 본 연구에서 개발한 빙축열시스템 설계 프로그램은 시스템의 장비선정 및 소비전력과 운전비용을 예측하는데 많은 도움이 될 것이라고 사료된다. With increase the GNP, electric consuption is increasing. To reduce the cost od building the power plant, ice thermal storage system was developed. but this system was very complicated as it need many equipment and considered the capacity, the characteristic of building etc. in selecting component. In this study the program was developed to design the ice thermal storage system more accurate more simply, and operating cost and electricity consumption showed the little difference between the real value and the prospective value by used program. In comparison with the traditional chiller, ice thermal storage system was higher in the initial investment cost'but the operation cost was lower, also the cost of operation and electric consumption was expressed by the equation based on the cooling load, load pattern'. This program showed that 3 result was used ini real cases was almost the same with by using this program.

역전 유동층을 이용한 관군 내에서의 슬러리아이스 생성에 관한 연구

오철(Cheol Oh),최영규(Young-Gyu Choi) 한국항해항만학회 2011 한국항해항만학회지 Vol.35 No.5

최근 지구 온난화와 더불어 급격한 기후 변화 등으로 여름철 주간 냉방 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따른 전력 수요량 또한 증가하고 있다. 이런 이유로 세계적으로 에너지 이용 효율 향상에 대한 관심이 높아지고 있고, 최근 국내 및 국외의 축냉시스템을 이용한 주간 전력 피크값을 최소화 하는 연구개발과 실제 적용 사례가 늘어나고 있다. 빙축열시스템의 경우 그 경제적 효과가 높아 그 관심이 높아지고 있는 추세이다. 축냉시스템은 주간 냉방에 사용하는 냉열을 야간에 만들어 탱크에 저장해 두었다가 그것을 낮에 이용함으로써, 갑작스런 부하 증가에 적절히 대응할 수 있는 등 여러 가지 장점을 갖고 있다. 본 실험에서는 슬러리아이스 생성을 위해 냉각표면에서 생성된 슬러리아이스를 분리시키기 위해 유체보다 밀도가 낮은 역전유동 물질을 삽입하여 역전 유동층을 형성하였으며, 역전유동층의 유동에 의해 관군으로 구성되어 있는 냉각튜브 표면에 빙부착이 심화되기 전에 얼음 입자를 분리시켜 수 내지 수십 미크론 단위의 슬러리아이스를 생성하도록 하였다. The ice-thermal energy storage cooling system has been applied to relief a significant portion of the peak demand of electricity during the daytime in summer. Slurry ice type system is one kind of ice-thermal storage cooling system utilizing cheaper off-peak electricity. This study is experimented to observe an influence of experimental conditions on production characteristics of slurry ice by using reversing flow, which is putting reversing material into test section to disturb ice adhesion. At this experiment, poly propylene ball of dimeter 10 mm was used as reversing material, and ethylene glycol-water solution of 20wt% concentration was used as flow material. The experimental apparatus was constructed of the slurry ice making and storage tank(test section), the brine tank, pumps for ethylene glycol-water solution and brine circulating, a mass flow-meter, data logger for fluid temperature measuring. The experiments were carried out under various conditions, with volumetric flow rate, ball filling rate and air filling rate.

냉매코일을 수직으로 배열한 관외착빙형 빙축열시스템 개발에 관한 연구

장영근,박상혁,문종훈 한국특허학회 2003 특허학연구 : 한국특허학회지 Vol.5 No.1

관외착빙형 빙축열시스템의 제빙특성에 관한 실험적 연구

장영근,서병택 한국기계기술학회 2009 한국기계기술학회지 Vol.11 No.3

수직 관외착빙형 잠열 축열조 전체의 상변화 해석

홍상우(Sang Woo Hong),이용태(Yong Tae Lee),정재동(Jae Dong Chung),김선태(Seon Tae Kim),김태헌(Taehun Kim) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11

This research deals with phase change analysis on the whole vertical ice-on-coil type latent thermal energy storage (LTES) tank using the new method introduced by our research group. Considering the fact that there are dozens of coils for each pass in the tank, it is almost impossible to simulate the entire system due to limitation of computer memory and time load. To overcome this difficulties, the results of all the coils to be calculated are interpolated between the imaginary sample coils the number of which is much less than the original coil number. Eventually, the run time required to simulate the whole system gets reduced while having high accuracy. We call this new proposed method sample and interpolation (SI) method. The validation of SI method is conducted by comparing the results with another numerical method where all of the coils in each pass are solved in a row. Deviation of the two results are within the valid range, which indicates SI method is appropriate for phase change simulation of the whole vertical ice-on-coil type LTES tank.