서 론

건물 분야는 전 세계 에너지 소비의 약 30%를 차지하고 있으며, 이 중 HVAC 시스템은 에너지 소비의 가장 주요한 원인이다(IEA, 2025). VRF 시스템은 가변 용량 운영을 통해 전통적인 HVAC에 비해 우수한 에너지 효율성을 제공하며, 중소형 건물에 적합하다(Aynur, 2010). 또한 유지보수가 쉬워 3대 이상의 실내기를 포함하는 VRF 시스템을 구축하는 가구가 증가하고 있다. 이에 건물 에너지 분야에서는 VRF 시스템의 에너지 소비량을 분석하기 위한 시뮬레이션 모델이 필요하다.

TRNSYS (Transient System Simulation Tool)는 동적 시뮬레이션 도구로 건물 에너지 해석에 널리 사용되지만, VRF 전용 컴포넌트가 없어 기존 연구에서는 프로그램의 기본 컴포넌트의 조합으로 VRF를 간접적으로 모델링하였다(Yau and ‘Amir, 2020; Ha et al., 2022). 하지만, 이 경우에는 실내기 대수, 그리고 실내기와 실외기 용량의 비(조합비)에 따라 컴포넌트 개수와 구성이 달라진다. 다른 에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus에서는 VRF를 직접적으로 모델링한 연구(Hong et al., 2016)가 존재하나, 에너지 해석에 성능곡선을 사용하였다. 이에 성능곡선을 도출하기 위해서는 성능표의 데이터를 보간하는 전처리 과정이 필요하다.

본 연구에서는 성능표를 직접 입력받아 조합비를 실내기 대수에 따라 자동으로 계산하여 실별 용량에 따라 유량을 분배할 수 있는 VRF 모델인 VICOR (VRF with Individual Capacity from COmbination Ratio) model을 개발하고자 하였다. 이를 위해 TRNSYS의 에어컨 관련 컴포넌트를 고찰하여 VICOR model 개발을 위한 프로그램 흐름도를 도출하고, TRNSYS에 적용할 수 있도록 모델링한 후, 타당성을 검토하였다.

기존 문헌 고찰

TRNSYS의 표준 라이브러리에는 실내기 한 대와 실외기 한 대를 연결한 단일 에어컨 모델인 Type 144 (Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison, 2019)가 있으며, 정식 명칭은 Packaged Terminal Air Condition / Split System Air Conditioner이다. 실내기 측 공기 유량, 실내 건구 온도, 실내 습구 온도, 실외 건구 온도에 따라 총 냉방 능력, 현열 냉방 능력, 소비 전력이 작성된 제조사 성능표를 읽어서 조건에 맞게 보간하여 성능을 도출한다.

Type 144와 유사한 모델로는 TESS에서 개발한 Type 921 (TESS, 2014)이 있으며, 정식 명칭은 Residential Cooling Coil (Air Conditioner)–Unified File Format이다. Type 144가 실제 성능 값이 입력된 데이터를 활용하는 반면, Type 921은 정규화된 성능표를 활용하여 사용자가 입력한 기기 용량과 곱하여 최종 성능 값을 도출하도록 구성되어 있다.

Type 144와 Type 921의 프로그램 흐름도는 아래 Figure 1과 같다. 두 모델은 같은 프로그램 흐름을 가지며, 새로 개발한 VICOR model 또한 그 흐름은 유사하다. 다만 제조사의 성능표를 직접 입력하는 것이 목적이므로 Type 144에 기반을 두고 개발이 진행되었다.

Figure 1.

Flow Chart of Type 144 and Type 921

VICOR model 개발

앞서 고찰한 Type 144와 Type 921과 달리 복수의 실내기가 있는 VICOR model은 실내기 대수를 입력받을 수 있어야 하며, 실내기의 작동 여부에 따라 조합비(Combination ratio)를 산정할 수 있어야 한다. 또한 성능표의 데이터를 호출하기 위해 각 실내기 측 공기 유량, 실내 건구 및 습구온도, 실외 건구온도는 물론, 조합비까지 작성된 제조사의 성능 데이터를 보간하여 총 냉방 능력을 도출한 후, 실내기별 냉방 능력(Individual capacity)을 도출할 수 있어야 한다.

VICOR modeling은 앞서 고찰 결과에 따라 Type 144에 기반을 두고 TRNSYS의 Programmer’s Guide (Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison, 2017a)에 제시된 Type Structure에 따라 진행하였다. 특히 Type 144에서 수정 및 추가가 많이 필요한 Structure의 4, 10, 11, 13번에 중점을 두고 진행하였다(Table 1). TRNSYS 모델명은 임의로 Type 244라 하였다.

실내기 운전 상태에 따른 실시간 조합비 산출 및 활용

VICOR model은 단일 실외기에 최대 100대까지의 실내기를 연결할 수 있도록 설계되었으며, 이에 따라 실내기별 입력·출력 변수는 모두 크기 100의 1차원 배열로 선언하였다. 성능표에 제시되는 조합비의 개수를 입력할 수 있게 하였고, 조합비(R_Combination)는 타임스텝마다 아래의 식 (1)로 계산된다.

여기서 Q_i,running는 운전 중인 실내기의 정격 냉방 능력(kJ/hr)이며, Q_o,rated는 실외기 정격 냉방 능력(kJ/hr)이다. 각 실내기의 운전 여부는 공기 유량이 0 kg/h를 초과하거나 제어신호가 0.1 이상인 경우에 운전 중이라고 판단한다.

조합비는 실내기의 정격 냉방 능력 합계를 기준으로 산정하였다. 이 방식은 순간 요구 부하보다 다소 높은 냉방 능력을 제공하나, 실외기 및 각 실내기 EEV가 실시간으로 냉매량을 제어하기 때문에 설정 실온 도달 후에는 잉여 능력이 즉시 차단되어 과냉방이 발생하지 않으며, 저부하 구간에서의 실온 안정성과 응답성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단하였다.

이렇게 계산된 조합비는 Type 144에서 성능표를 보간하기 위해 입력되는 공기 유량, 실내 건구 및 습구온도, 실외 건구온도에 더하여 추가적인 독립변수로 입력된다. 이렇듯 조합비를 직접 보간하는 데 사용하게 되면 실내기 대수와 조합비에 따라 컴포넌트 개수와 구성이 달라지는 것을 방지할 수 있다. 또한 제조사는 대개 50%, 80%, 100%, 130% 등 조합비별로 별도의 성능표를 제공하므로, 해당 축을 직접 선형 보간할 수 있는 본 모델을 적용하면 조합비 변화에 따른 냉방 능력 및 소비 전력을 정확히 도출할 수 있다.

실내기별 냉방 능력 도출

실내기별 냉방 능력을 도출하기 위해서는 실외기의 총 냉방 능력을 성능표로부터 도출하여 실내기별로 냉방 능력을 분배하는 과정이 필요하다. 실외기의 총 냉방 능력은 실내기 측 공기 유량, 실내 건구 및 습구온도, 실외 건구온도, 조합비가 입력되어야 보간과정을 통해 도출할 수 있는데, 복수의 실내기가 있으므로 이들을 하나로 합치는 과정이 필요하다.

실내기 측 공기 유량은 각 실내기의 공기 유량을 모두 합하여 도출할 수 있다. 다만 실내 건구 및 습구온도는 실내기마다 상이하므로 단순 합이나 산술평균으로 도출하는 것은 부정확하다. 이에 보간을 위한 실내 건구는 실내기별 현재 부하 크기를 가중치로 사용하여 도출하였다. 습구온도는 비선형 특성을 보이므로 부하 크기 가중치를 직접 이용하지 않고, 선형인 건구온도와 절대습도를 이용하여 습공기 선도를 통해 도출하였다.

먼저 아래 식 (2)와 같이 각 실내기의 부하를 구한다.

여기서 Q_temp,i는 각 실내기의 부하(kJ/hr), m_Evaporator,i는 각 실내기의 공기 유량(kg/hr), c_p,Air,i는 각 실내기의 공기 비열(kJ/kg·K), T_{EvaporatorIn,i}는 각 실내기의 입구 건구온도(°C), T_setIn,i는 각 실내의 설정 실온(°C)이다. 다음으로 아래의 식 (3)과 같이 각 실내기의 전체 부하 대비 비율(R_Qtemp,i)을 구한다.

다음으로 아래의 식 (4), (5)와 같이 가중평균 실내 건구온도(WT_EvaporatorIn) 및 가중평균 절대습도(Ww_EvaporatorIn)를 구한다.

WT_EvaporatorIn와 Ww_EvaporatorIn를 TRNSYS의 습공기선도 함수(MoistAirProperties)에 입력하여 보간을 위한 습구온도(Wwb_EvaporatorIn, °C)를 구한다. 가중평균 실내 건구온도(WT_EvaporatorIn, °C)는 보간을 위한 첫 번째 독립변수, 보간을 위한 습구온도(Wwb_EvaporatorIn, °C)는 두 번째 독립변수가 된다. 실외 건구온도(T_CondenserIn, °C)가 세 번째, 공기 유량의 합(Sum_lpsEvap, m³/h)이 네 번째, 조합비(R_Combination)가 다섯 번째 독립변수가 되며, 이 독립변수들을 사용하여 성능표에서 선형 보간을 수행한다.

TRNSYS의 보간 함수(InterpolateData)를 활용하면 6차원까지 보간이 가능하므로 VICOR model에 직접 활용이 가능하다. 보간을 통해 냉방 능력 총합(Sum_QTotal), 현열 냉방 능력 총합(Sum_QSensible) 및 전력(Power)를 도출한다. 냉방 능력 총합(Q_total,i)과 현열 냉방 능력 총합(Q_sensible,i)을 아래의 식 (6), (7)과 같이 실내기별 현재 부하 크기에 비례하여 분배한다.

VICOR model의 흐름도는 Figure 2와 같으며, Figure 1에 복수의 실내기를 고려한 상기의 내용을 추가하였다. 이에 기반하여 Type 144의 코드를 수정 보완하는 방식으로 TRNSYS 적용을 위한 VICOR model (Type 244)를 모델링하였다. Parameter에 실외기 용량, 실내기 대수, 실내기별 용량, 조합비 개수가 추가되었으며, Input과 Output에는 실내 온도, 절대습도, 상대습도, 공기 유량 등 실내기와 관련된 값을 실내기 대수만큼 입력 및 출력할 수 있도록 하였다. 또한 Output에 실시간 조합비도 추가하였다.

Figure 2.

Flow Chart of VICOR model

결과 및 토의

타당성 검토를 위한 시뮬레이션 수행

시뮬레이션은 TRNSYS 제공 예제 중 다섯 개의 Type 144를 사용하는 HVAC System 3: Packaged Rooftop Air Conditioners with Fossil Fuel Furnaces (Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison, 2017b)를 변형하여 수행하였다(Figure 3). 본 예제의 시스템은 건물 내 다섯 개의 구역에 각각 시스템이 설치되어 있으며, 유입 공기와 외기를 혼합하고 이 공기가 Type 144를 통과하여 냉각된 후 열풍로를 통과하는 형태로 이루어져 있다. 공기 흐름은 건물 사용 시간 동안에는 정속 팬에 의해 구동되며, 사용 시간이 없는 시간에는 온도 조절기의 필요에 따라 작동한다. 이 예제에서 다섯 개의 Type 144를 VICOR model (Type 244)로 대체하고, 냉방 기간인 7~8월을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 열풍로를 삭제하여 냉방 영향만을 판단하였다.

VICOR model의 실외기 정격 냉방 능력은 HVAC System 3의 Type 144 실외기 5대 정격 냉방 능력을 합한 344,576 kJ/hr으로 설정하였다. 각 독립변수의 값은 WT_EvaporatorIn(°C) [22.22, 23.89, 25.56, 26.67], Wwb_EvaporatorIn(°C) [15, 17.22, 19.44], T_CondenserIn(°C) [29.44, 35, 40.56, 46.11], Sum_lpsEvap(m³/h) [310.39, 1771, 3232.87], R_Combination(%) [0, 30, 50, 70, 100, 130]으로 설정하였다. 이로부터 총 864개의 조합을 만들었으며, 조합별 Sum_QTotal과 Sum_QSensible을 도출하였다. R_Combination은 Sum_QTotal과 비례한다고 가정하였다. 온도와 공기 유량에 따른 Sum_QTotal은 실제 성능표를 기반으로 하여 도출하였다. Sum_QTotal은 WT_EvaporatorIn 1℃ 감소에 약 2% 증가, Wwb_EvaporatorIn 1℃ 상승에 약 3% 증가, T_CondenserIn 1℃ 상승에 약 2% 증가하는 것으로 도출되어 이 중 가장 큰 값을 적용하였다. Sum_lpsEvap에 따른 Sum_QTotal은 Sum_lpsEvap 최대값 대비 현재값의 0.8승에 비례하는 것으로 도출되어 이를 적용하였다. 또한 성능표 읽기가 올바르게 수행되는지 검토하기 위해 현열비를 0.6로 가정하여 성능표의 Sum_QSensible을 작성하고 Power를 Sum_QTotal의 0.225배로 가정하여 작성하여, 시뮬레이션 결과가 Sum_QSensible이 Sum_QTotal의 0.6배로 도출되는지, 그리고 COP가 4.44로 도출되는지 확인하였다.

Figure 3.

Simulation for VICOR model (Type 244) Feasibility Study

시뮬레이션 결과 및 토의

시뮬레이션 동안 실외 건구온도(DryBulbTemp_Outdoor, °C)는 Figure 4에서 볼 수 있듯이 그 범위가 12.2 ~ 37.2°C 사이로 나타났으며, 대상 건물에서는 실내 발열로 냉방 부하가 지속해서 발생하는 것으로 파악되었다. 모든 실은 설정 실온 26°C, 불감대 2°C로 설정하였으며, Figure 4에서 볼 수 있듯이 모든 실에서 대부분 기간에 설정 실온을 잘 만족시키고 있다. 이를 정량적 지표 3가지, 즉, 실내기가 동작할 시에 각 실의 온도가 설정 실온을 만족시킨 확률, RMSE, CVRMSE를 각 실에 대해 도출하여 Table 2에 정리하였다. 이 값들로 판단하였을 때, VICOR model (Type 244)의 실외기에서 각 실내기로 냉방 능력이 잘 분배되고 있으며, 설정 실온에 따른 실내기의 제어도 양호하게 수행되고 있음을 보여준다.

전체 시간에서의 조합비 발생 비율은 0~10이 3.7%, 10~30이 61.1%, 30~50이 20.5%, 50~70이 10.8%, 70~100이 3.9%로 고르게 나타났다. VICOR model (Type 244)의 실외기의 용량을 Type 144의 전체 실외기 용량과 같도록 설정하였으므로 100%를 초과하는 조합비는 나타나지 않았다. Sum_QSensible은 Sum_QTotal의 0.6배로 도출되었으며, COP는 작동 시 4.44로 나타났다. 이는 성능표가 올바르게 입력되었음을 보여주며, 시스템 제조사가 제공하는 실제 VRF 성능표 입력 또한 정확하게 이루어질 수 있음을 나타낸다.

Figure 4.

Simulation result

결 론

본 연구에서는 조합비를 자동으로 산정할 수 있고 실내기별 냉방 능력을 도출할 수 있는 VRF 시스템 모델인 VICOR model을 개발하였으며, 이 모델에 기반하여 TRNSYS에 적용하기 위한 Type 244를 개발하여 그 타당성을 입증하였다. 주요 연구 결과는 아래와 같다.

(1)VICOR model 기반 Type 244는 최대 100대까지의 실내기를 연결할 수 있으며, 운전 중인 실내기만 실시간으로 인식해 조합비를 자동 계산하도록 구성하였다.

(2)실내기마다 서로 다른 온도·습도 조건을 부하 가중 평균 방식으로 통합 처리하고, 제조사가 제공하는 실제 VRF 성능표를 직접 보간하여 총 냉방 능력과 소비전력을 도출한 뒤, 각 실내기의 현재 부하 비율에 따라 냉방 능력을 분배하도록 하였다.

(3)성능 검증을 위한 5개실 냉방 시뮬레이션 결과, 모든 실에서 설정 실온(26°C)을 98.0~ 99.3%의 확률로 만족하였으며, RMSE는 0.21~0.49°C, CVRMSE는 2.0~2.3% 로 나타나 높은 온도 제어 정밀도와 능력 분배의 적정성을 확인하였다.

본 연구에서는 TRNSYS의 예제를 활용하여 VICOR model의 타당성은 검증하였으나, 시스템의 실제 운영 데이터를 활용한 검증은 수행하지 못하였다. 따라서 향후 연구에서는 실제 건물에서 VRF 시스템의 운영 데이터를 수집하고, 제조사 카탈로그 성능표를 입력하여 모델 예측값과 실측값(온도, 소비전력 등)의 RMSE 및 CVRMSE를 비교 검증할 예정이다.