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[표지]

발간사

추천의 글 / 최호영

목차

1. 공기조화 및 제어 기초 15

1.1. 습공기(Moist Air) 16

1.2. 습공기 과정 21

1.3. 클린룸 습공기 선도 및 기기 선정 27

1.4. 클린룸 환기효율 및 배기효율 31

1.5. 공조 시스템의 자동 제어 40

1.6. PID 제어 45

1.7. PID 제어기의 게인 튜닝 59

2. 클린룸 공조에너지 절감 기술 74

2.1. 개요 76

2.2. 클린룸 공조에너지 비교 지표와 클린룸 에너지 벤치마킹 81

2.3. 환기횟수 감소 88

2.4. 외기도입량 최적화 101

2.5. 수요기반 풍량 제어 106

2.6. 중앙 풍도 설치 113

2.7. 천장 재순환 시스템 119

2.8. 팬필터유닛 (FFU, EFU 포함) 124

2.9. 저 압력손실 에어시스템 설계 128

2.10. 실내 수분무 가습 132

2.11. 공조기 수분무 가습 144

2.12. 공조기 폐열회수 153

2.13. 외기 냉각(프리쿨링, Free-cooling) 164

2.14. 현열냉각시스템 171

2.15. 공조 운전경로 모니터링 및 최적 제어 175

2.16. 기타 에너지 절감기술 179

3. 공조 운전경로 모니터링 및 최적제어 실증 사례 188

3.1. 공조 운전경로 190

3.2. 최적제어 203

3.3. 공조 운전경로 모니터링 시스템 구축 205

3.4. 공조 운전경로 모니터링 결과 분석 224

3.5 공조기 및 제어 계통 문제점 분석 235

3.6. 개선방안 및 에너지 절감 효과 238

3.7. 추가 고려 사항 243

개발자의 말 / 노광철 246

개발자의 말 / 이윤수 248

판권기 250

표목차

표 1.1. 습공기 상태의 기호 및 단위 19

표 1.2. 외조기에 조합된 기기와 그 목적 30

표 1.3. 순환용 공조기 주요 기능 30

표 1.4. 오염물질 제거효율 값에 따른 개념과 시스템 38

표 1.5. 피드백 제어 시스템의 응답 특성 47

표 1.6. 시스템의 응답 성능을 나타내는 요소와 의미 48

표 1.7. 비례, 적분, 미분 요소의 전달 함수(s 도메인) 53

표 1.8. 해석적 방법 및 실험적 방법의 게인 튜닝 차이 61

표 2.1. 보고서, 서적, 기술지 77

표 2.2. 논문 78

표 2.3. 클린룸 공조에너지 절감기술 분류 80

표 2.4. 클린룸 공조에너지 비교 지표 81

표 2.5. 산업용 클린룸의 청정도에 따른 평균 풍속 및 환기횟수(ISO 14644-1) 89

표 2.6. 오염물질 제거효율 값에 따른 개념과 시스템 94

표 2.7. 클린룸 모델별 기외정압 및 청정도(공기나이) 비교 117

표 2.8. 클린룸 압력 손실 설계 목표 128

표 2.9. 클린실내 수분무 가습시스템의 2가지 유형 137

표 2.10. 계산 조건 138

표 2.11. 열회수식 외기공조시스템 경제성 분석 결과 156

표 2.12. 하이브리드 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 기대효과 156

표 2.13. 습구온도에 따른 외기냉각의 활용 166

표 2.14. 프리쿨링 방식 냉원시스템의 비교 170

표 2.15. DCC와 FCU 비교 172

표 2.16. 고효율 FCU 시스템의 에너지절감효과 173

표 2.17. 냉수 공급 온도에 따른 냉동기 플랜트 효율의 변화 179

표 3.1. 공장 공조제어 시스템의 기능 200

표 3.2. 실증 대상 공조기 설비 현황 206

표 3.3. 장비 측정 결과(AHU-001) 208

표 3.4. 장비 측정 결과(AHU-002) 209

표 3.5. 실증 설비 구축 현황 217

표 3.6. 2016년 1월의 일평균 경로효율 227

표 3.7. AHU-001 2016년 1월 일별 각 센서 위치의 온습도 측정결과 228

표 3.8. AHU-001 2016년 1월 1일 시간별 실제 운전데이터와 CECH(이미지참조) 229

표 3.9. AHU-001 2016년 1월 1일 시간별 최선 운전데이터 230

표 3.10. AHU-002 2016년 1월 일별 각 센서 위치의 온습도 측정결과 232

표 3.11. AHU-002 2016년 1월 1일 시간별 실제 운전데이터와 CECH(이미지참조) 233

표 3.12. AHU-002 2016년 1월 1일 시간별 최선 운전데이터 234

표 3.13. 동파방지 운전 개선을 통한 에너지사용량 비교 239

표 3.14. 동파방지 운전 개선을 통한 에너지 비용 비교 239

표 3.15. 제어 설정항목의 개선 241

표 3.16. 제어 프로그램 수정 241

표 3.17. PID값 설정 242

표 3.18. 개선 효과 (AHU-001, AHU-002) 243

그림목차

그림 1.1. 단열포화장치의 개략도 17

그림 1.2. 습공기선도(h-x 선도)의 각 선들의 의미 19

그림 1.3. 습공기 선도 (대한설비공학회) 20

그림 1.4. 단열혼합과정 22

그림 1.5. 현열가열 과정 23

그림 1.6. 냉각 제습 과정 24

그림 1.7. 가습 과정 26

그림 1.8. 증발 냉각 방식의 개략도 26

그림 1.9. 클린룸 계통도 27

그림 1.10. 외조기 습공기 선도 28

그림 1.11. 순환용 공조기 습공기 선도 29

그림 1.12. 공기 나이 개념 32

그림 1.13. 실내에서 완전혼합 34

그림 1.14. 피스톤 유동 35

그림 1.15. 오염원의 위치가 배기효율에 미치는 영향 36

그림 1.16. 오염물질 제거효율을 고려한 입자농도 37

그림 1.17. 플랜트의 개념도 40

그림 1.18. 수동 제어 예 41

그림 1.19. 자동 제어 예 41

그림 1.20. 오차값을 이용한 자동 제어의 개념도 42

그림 1.21. 개루프 제어 시스템 43

그림 1.22. 플랜트에 발생하는 불확실성 44

그림 1.23. SISO 시스템과 MIMO 시스템의 예 45

그림 1.24. 제어기가 제어값을 결정하는 예시 46

그림 1.25. 피드백 제어시스템의 응답 특성 47

그림 1.26. 시스템의 응답 성능을 나타내는 지표 48

그림 1.27. 스프링-댐퍼 시스템의 상태 방정식 49

그림 1.28. t 도메인과 s 도메인의 관계 50

그림 1.29. 플랜트의 블록 선도 51

그림 1.30. 일반적인 피드백 제어시스템의 블록 선도 52

그림 1.31. 비례 제어(P 제어) 시스템의 블록 선도 53

그림 1.32. 정상상태 오차 54

그림 1.33. Kp 값에 따른 응답의 변화 추이 55

그림 1.34. 비례 적분 제어(PI 제어) 시스템의 블록 선도 56

그림 1.35. Ki 값에 따른 응답의 변화 추이 56

그림 1.36. 비례 적분 미분 제어(PID 제어) 시스템의 블록 선도 57

그림 1.37. Kd 값에 따른 응답의 변화 추이 58

그림 1.38. PID 제어기의 블록선도 58

그림 1.39. Kp의 증가로 인한 효과 62

그림 1.40. Kp의 감소로 인한 효과 62

그림 1.41. 안정도가 나쁜 상태에서 Kp의 감소로 인한 효과 63

그림 1.42. Ki 값의 증가로 인한 변화 64

그림 1.43. Ki 값의 감소로 인한 변화 65

그림 1.44. Kd의 값의 감소로 인한 변화 66

그림 1.45. PID 게인 튜닝에 대한 응답의 양상 변화 66

그림 1.46. 제어 대상 시스템 구조 67

그림 1.47. Kp 값의 변화에 따른 시스템의 응답 결과 68

그림 1.48. Ki 값의 변화에 따른 시스템의 응답 결과 69

그림 1.49. Kd 값의 변화에 따른 시스템의 응답 결과 70

그림 1.50. Kp＝50에서 Ki 값의 변화에 따른 시스템의 응답 결과 71

그림 1.51. Kp＝50, Ki＝50에서 Kd 값 변화에 따른 시스템 응답 결과 72

그림 2.1. 클린룸 에너지 소비량의 예 79

그림 2.2. 클린룸 환기횟수 비교 83

그림 2.3. 클린룸 순환공기 시스템 에너지 효율 비교 84

그림 2.4. 클린룸 냉동기 플랜트 에너지 효율 비교 85

그림 2.5. 클린룸 프로세스 장비 전력 밀도 비교 85

그림 2.6. 클린룸 외조기 공급 시스템 에너지 효율 비교 86

그림 2.7. Mini-Environment의 단위 풍량당 에너지소비량 비교 87

그림 2.8. IEST의 클린룸 권장 환기횟수 (IEST) 88

그림 2.9. 클린룸 레이아웃의 변화 90

그림 2.10. 오염원의 위치가 오염물질 제거효율 미치는 영향 92

그림 2.11. 오염물질 제거효율을 고려한 입자농도 94

그림 2.12. 클린룸 청정도 계산 : 덕트 계통도의 예 95

그림 2.13. 환기횟수에 따른 클린룸 내부 청정도 및 전력량 감소 98

그림 2.14. 환기횟수에 따른 클린룸 팬 에너지 절감 99

그림 2.15. 환기회수에 대한 벤치마킹 데이터 100

그림 2.16. 클린룸 순환공기 시스템 에너지 효율 비교 101

그림 2.17. 클린룸 외기도입량 최적화(배기량 조정을 통한 차압 회복) 104

그림 2.18. 클린룸 공조 팬 에너지 효율 비교(그림 2.2.5와 동일, LBNL) 104

그림 2.19. 가변운전에 따른 공조운전 절감운전 및 복귀 재가동 절차 108

그림 2.20. 가변운전에 따른 클린룸 에너지 절감 포인트 109

그림 2.21. 입자 모니터링 방식 급기 풍량 제어 110

그림 2.22. 클린룸 내 발생량과 환기횟수에 따른 청정도 변화 111

그림 2.23. 입자 모니터링 이용 풍량제어를 통한 연간 팬에너지 소비량 예측 112

그림 2.24. SMART M/E 시스템 구성 113

그림 2.25. 기외정압감소에 따른 FFU 운전 대수 감소 115

그림 2.26. 클린룸 모델 116

그림 2.27. 클린룸 모델별 기류 특성 116

그림 2.28. 중앙풍도 위치에 따른 해석 모델링 117

그림 2.29. 중앙풍도 개수에 따른 기외정압 감소 118

그림 2.30. 중앙풍도 개수및 위치에 따른 기외정압 감소 118

그림 2.31. 천장 재순환형 클린룸 시스템의 구조 120

그림 2.32. 다공율에 따른 에너지소비량 변화 121

그림 2.33. FFU 방식 클린룸과 테스크·엠비언트 클린 공조 시스템 122

그림 2.34. 에너지 절감 개념도 123

그림 2.35. FFU와 EFU 설치 예 125

그림 2.36. 초박형 FFU 126

그림 2.37. 고효율 EFU 도입 및 온실가스·에너지 감축 사례 127

그림 2.38. FFU 순환팬 에너지 효율 벤치마킹 데이터 127

그림 2.39. 클린룸 순환팬 시스템 129

그림 2.40. 순환팬 에너지 효율 벤치마킹 데이터 131

그림 2.41. 순환팬 에너지 효율과 필터 압력손실 132

그림 2.42. 증기 가습시스템 133

그림 2.43. 실내 수분무 가습시스템 134

그림 2.44. 실내 수분무 가습시스템 습공기선도 135

그림 2.45. 2-유체식 노즐의 분사원리 137

그림 2.46. 실내 수분무 가습시스템 개요 139

그림 2.47. 기화식 가습시스템 적용시 겨울철 피크부하 열량흐름 139

그림 2.48. 실내 수분무 가습시스템 적용시 겨울철 피크부하 열량흐름 140

그림 2.49. 기화식 가습시스템과 실내 수분무 가습시스템 적용시 부하 절감량 141

그림 2.50. 월별 가습, 감습량 141

그림 2.51. 실내 수분무 가습시스템 143

그림 2.52. 실내 수분무 가습시스템 설치 143

그림 2.53. 실내 수분무 가습시스템 설치 전후 스팀 사용량 변화 144

그림 2.54. 기화식 가습(에어워셔) 시스템의 예 145

그림 2.55. 에어워셔 수온에 따른 외기 상태변화 146

그림 2.56. 공조기 수분무 가습 적용 예 147

그림 2.57. 외조기 기화식 가습 적용 예 149

그림 2.58. 에코워셔에 의한 냉각, 감습, 가열, 가습 150

그림 2.59. 에코워셔에 외기공조시스템 계략도 151

그림 2.60. 기존 외기공조기 개조 사례 152

그림 2.61. 하이브리드 열회수식 에어워셔 외기공조시스템의 구성 155

그림 2.62. 하이브리드 열회수식 에어워셔 외기공조시스템의 구성 157

그림 2.63. 고온 냉수시스템의 도입을 통한 연간 전력소비량 변화 158

그림 2.64. 냉방시 히트펌프를 이용한 배기열 회수기술 159

그림 2.65. 난방시 히트펌프를 이용한 배기열 회수기술 160

그림 2.66. 외기 온도에 따른 난방 열원별 사용 에너지 비용 비교 그래프 161

그림 2.67. 여름철 외조기의 에너지 소비량 비교 대상 시스템 162

그림 2.68. 대상 시스템별 해석 조건 163

그림 2.69. 에너지 절감량 비교 163

그림 2.70. 프리쿨링 루프의 예 165

그림 2.71. 프리쿨링 방식 167

그림 2.72. 프리쿨링 냉각탑 벤치마킹 데이터 168

그림 2.73. 이중 냉각탑/듀얼 프리쿨링 방식 169

그림 2.74. FCU 현열 냉각시스템 172

그림 2.75. FDCU 시스템 174

그림 2.76. FDCU 현열 냉각시스템 175

그림 2.77. 공조 운전경로 모니터링 개념 176

그림 2.78. 기존 모니터링과 공조 운전경로 모니터링 비교 176

그림 2.79. 공조기의 실제 운전 경로와 최적 운전 경로 178

그림 2.80. 냉수 온수에 따른 냉동기 플랜트 효율 179

그림 2.81. 이중 온도 냉수 시스템의 냉동기 구성도 180

그림 2.82. 이중 온도 냉수 시스템의 냉동기 구성도 182

그림 2.83.압력일정 회전수 제어 시스템 184

그림 2.84. 관로저항특성 예측 제어시스템 185

그림 2.85. 2차 송수펌프 에너지 전력량 분석 사례 186

그림 3.1. 공기조화 설비의 계통도 190

그림 3.2. 공기조화기 구성요소 191

그림 3.3. 자동제어 HMI 화면 192

그림 3.4. 냉방시 공조 운전경로 193

그림 3.5. 난방시 공조 운전경로 193

그림 3.6. 실제 공조 운전경로 194

그림 3.7. 최적 공조 운전경로 195

그림 3.8. 실제 운전경로 vs 최선 운전경로 vs 최적 운전경로 196

그림 3.9. 공조 설비 전체 계통도 198

그림 3.10. 공기조화기 자동제어 계통도 199

그림 3.11. 공기조화시스템에서의 지연 시간 202

그림 3.12. Stroke 변화에 따른 열량/유량변화 지연시간 202

그림 3.13. 공기조화기 프로세스별 운전 경향 204

그림 3.14. 지연시간으로 인한 제어 편차 205

그림 3.15. 공기 흐름 계통도(AHU-001) 207

그림 3.16. 공기 흐름 계통도(AHU-002) 208

그림 3.17. 자동제어 현황 209

그림 3.18. 최적 운전 경로 산출하는 법 I 211

그림 3.19. 최적 운전 경로 산출하는 법 II 211

그림 3.20. 실시간 공조에너지 소비계수(CECR) 산출 212

그림 3.21. 일별 일평균 공조 운전경로 214

그림 3.22. 기존 HMI 시스템과의 연계 215

그림 3.23. 모니터링 시스템 구성요소 216

그림 3.24. 모니터링 시스템 적용 후 계측점 218

그림 3.25. AHU-001 온습도 센서 설치 위치 219

그림 3.26. AHU-002 온습도 센서 설치 위치 219

그림 3.27. 공조기 외부 온습도 센서 설치 220

그림 3.28. SA, RA 온습도 센서설치(AHU-001) 220

그림 3.29. OA 온습도 센서설치(AHU-001) 221

그림 3.30. H/C, C/C 후단 온습도 센서설치(AHU-001) 221

그림 3.31. C/C, RH/C, 가습기 후단 온습도 센서설치(AHU-001) 222

그림 3.32. SA, RA, OA 온습도 센서 설치(AHU-002) 222

그림 3.33. C/C 후단 온습도 센서 설치(AHU-002) 223

그림 3.34. RH/C, H/C, 가습기 후단 온습도 센서 설치(AHU-002) 223

그림 3.35. 모니터링 시스템 설치 224

그림 3.36. 모니터링 프로그램 및 HMI 구현 224

그림 3.37. AHU-001의 개선 전 운전경로 효율 225

그림 3.38. AHU-001의 최적 운전경로 226

그림 3.39. AHU-002 공조 운전경로 효율 231

그림 3.40. AHU-002 최적 운전경로 효율 231

그림 3.41. bypass 밸브의 개방 235

그림 3.42. 외기에 의한 코일 동파 236

그림 3.43. AHU-001의 프로세스별 운전 경향 236

그림 3.44. PID 변경 전 공조기 온도 상태 237

그림 3.45. 열교환기 또는 Air Mixer를 통한 동파방지 238

그림 3.46. High select control logic 계통도 240

그림 3.47. High select control logic 240

그림 3.48. 자동제어 프로그램 로직 개선 242

그림 3.49. 피드포워드 제어 244

그림 3.50. 냉방운전 + 스팀가습 245

그림 3.51. 수분무 가습 방식 245

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