[논문 리뷰] Energy optimization in ice hockey halls I. The system COP as a multivariable function, brine and design choices

Andrea Ferrantelli, Paul Melóis외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 02.

Wind and Air Flow Studies참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 빙상 홀의 시스템 계수성능(COPsys)을 최대화하기 위해 기능 최적화 기법을 제안하며, COPsys를 브라인 특성, 파이프 설계 및 운영 파라미터의 다변수 함수로 모델링한다. 브라인 종류와 비열이 성능에 결정적인 영향을 미치며, 암모니아가 에틸렌 글리콜보다 뛰어난 성능을 보이며, 펌프 공급 전력은 전체 에너지 소비의 약 ~7%에 불과하여 콘덴서 및 압축기 효율에 비해 최적화 목표로서의 중요도가 낮다.

ABSTRACT

This work is the first in a series of articles addressing the energy optimization in ice hockey halls. Here we adopt an analytical method, called functional optimization, to find which design and operating conditions maximize the Coefficient Of Performance of the entire cooling system (brine pumps and cooling tower), which we call ${ m COP}_{sys}$. This is addressed as a function of several variables, like electric consumption and brine physical properties. By maximizing such function, the best configuration and brine choices for the system can thus be determined accurately and rigorously. We investigate the importance of pipe diameter, depth and brine type (ethylene glycol and ammonia) for average-sized ice rinks. An optimal brine density is found, and we compute the weight of the electric consumption of the brine pumps on ${ m COP}_{sys}$. Our formulas are validated with heat flow measurement data obtained at an ice hockey hall in Finland. They are also confronted with technical and cost-related constraints, and implemented by simulations with the program COMSOL Multiphysics. The multivariable approach here discussed is general, and can be applied to the rigorous preliminary study of diverse situations in building physics and in many other areas of interest.

연구 동기 및 목표

• 빙상 홀의 높은 에너지 소비(일반적으로 연간 1,800 MWh 이상)를 해결하기 위해.
• 냉각 부하 대비 총 전기 소비 비율로 정의된 시스템 계수성능(COPsys)을 최대화하는 설계 및 운영 파라미터를 규명하기 위해.
• 브라인 종류, 농도, 파이프 지름, 깊이 및 파이프 수가 시스템 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 핀란드의 한 빙상 시설에서 실측한 열역학적 유량 및 온도 데이터를 바탕으로 모델을 검증하기 위해.
• 에너지 효율적인 빙상 홀 냉각 시스템 설계를 위한 실용적이고 비용 제약 조건을 고려한 권고 사항을 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 전기 소비, 브라인 물리적 특성 및 시스템 파라미터의 함수로 COPsys를 모델링하기 위해 다변수 분석 기법인 기능 최적화(FO)를 활용한다.
• COPsys는 이론적 공식에서 유도되며, 핀란드 레파바아라에 위치한 2009년형 빙상 시설의 실험 데이터를 활용해 검증된다. 이 데이터는 5분 간격으로 측정된 열역학적 유량 및 인터페이스 온도를 포함한다.
• 이 방법은 체적 유량, 브라인 밀도, 비열, 파이프 지름, 깊이 및 파이프 수와 같은 변수들이 COPsys에 미치는 민감도를 평가한다.
• COMSOL Multiphysics를 사용한 시뮬레이션을 통해 다양한 파이프 구성에서 빙판 표면의 열 성능 및 온도 균일도를 분석한다.
• 콘크리트 기초 두께, 단열재 수용 능력 및 파이프 간격 등의 기술적 제약 조건을 모델에 통합하고, 실제 비용 데이터와의 비교를 통해 검증한다.
• 설치 및 브라인 비용을 고려하여 파이프 수를 150개에서 200개로 증가시킬 경우의 경제적 영향을 분석하기 위한 성과-비용 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빙상 홀에서 COPsys를 최대화하는 데 최적의 브라인 종류와 농도는 무엇인가?
• RQ2 체적 유량, 파이프 지름 및 콘크리트 기초 내 파이프 깊이의 변동에 대해 COPsys는 얼마나 민감한가?
• RQ3 파이프 수를 150개에서 200개로 증가시키는 것이 열 균일도 및 시스템 성능에 유의미하게 기여하는가?
• RQ4 브라인 펌프의 전력 소비가 총 전기 소비에 비해 차지하는 비율은 어느 정도인가?
• RQ5 기능 최적화 방법을 활용해 비용 효율적이고 에너지 효율적인 빙상 홀 냉각 시스템 설계 결정을 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 펌프 공급 전력은 총 전기 소비의 약 ~7%에 불과하여 시스템 비효율성의 주요 원인이 되지 않는다.
• COPsys는 체적 유량 또는 파이프 지름 및 깊이의 변화에 크게 영향을 받지 않으며, 이는 시스템 성능에 미치는 영향이 미미하다.
• COPsys가 최대가 되는 브라인 밀도가 존재하며, 이는 특정 브라인 종류와 무관하게 동일한 최적 조건을 가진다.
• 비열 용량이 뛰어난 특성 덕분에 암모니아가 에틸렌 글리콜보다 더 높은 COPsys를 제공한다.
• 세균 번식을 방지하고 최적 성능을 확보하기 위해 에틸렌 글리콜은 20%에서 34% 농도 범위에서만 권장된다.
• 파이프 수를 150개에서 200개로 증가시키면 빙판 표면의 온도 균일도가 향상되나, 비용 증가율이 50%를 초과한다.