KR100509332B1 - 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 실내공기질 제어 방법 및 네트워크 기반 실내 공기질 제어시스템 - Google Patents

오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 실내공기질 제어 방법 및 네트워크 기반 실내 공기질 제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉난방 시스템에서 오염 농도를 기반으로 에너지 절약 모드 변환의 환기 시스템용 IAQ(실내 공기질)를 제어하는 방법과 그 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 빌딩 사무실 혹은 학교 등 다중이용시설 및 주거 공간을 독립적으로 혹은 중앙 냉난방하는 시스템과 연동되어 급배기용 열교환 및 가습의 기능을 갖는 전열 혹은 현열교환기와 내부 순환 공기청정 기능을 갖는 청정장치 혹은 바이패스용 공기처리 장치를 통해 동시 급배기, 혹은 강제 급기 및 자연 틈새 배기, 혹은 강제 배기 및 자연 틈새 급기를 수행하며, 각 환기 공간의 배기 덕트부 혹은 실내에 각각 설치되며 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도인 CO2센서들과 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염의 대표적 척도인 VOC 센서 등을 통해 실시간으로 측정되는 농도 값들을 바탕으로 쾌적한 실내환경을 유지하도록 각 환기 공간별 요구되는 유효 공기치환횟수(ACH) 혹은 동등 (Equivalent) 외기급기량을 실시간으로 제어하는 IAQ 제어 시스템이다.

Description

오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 실내 공기질 제어 방법 및 네트워크 기반 실내 공기질 제어 시스템{IAQ Control Method Based on Contaminant Concentration for Various Ventilation Modes of Energy Saving, and Network-based IAQ Control System}
본 발명은 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 IAQ 제어 방법 및 네트워크 기반 IAQ 제어 시스템에 관한 것이다.
특히 본 발명은 빌딩, 다중이용시설, 혹은 아파트의 고층화 및 고단열, 고기밀화에 따른 실내공기질(Indoor air quality; IAQ) 문제를 해결하기 위한 공조 시스템에서 전열 혹은 현열교환기와 내부순환 공기청정기 혹은 바이패스 공기처리장치, 센서 기반의 요구 대응 제어기(Demand control), 회전속도 제어 팬, 유량조절댐퍼를 결합하여, 사람의 실내 활동과 연관된 공기오염물질 (Bioeffluents) 및 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염물질을 가장 경제적 그리고 효과적으로 제거하는 방법과 중앙 및 로컬 네트웍 제어시스템에 관한 것이다.
도 1은 기존의 냉난방 기능의 공기처리장치와 외기 급기 댐퍼가 일체형으로 작동하는 외기 혼합 공조기의 개략적인 구성을 나타낸 도면으로서, 공기 처리장치(101), 컨트롤러(Controller)(102), 급기수단(103), 배기수단(104), 그리고 외기 처리수단(105)으로 이루어져 있다.
환기는 실내공기질 (Indoor Air Quality)을 유지시키는 한가지 방법이다. 도입되는 외기가 오염되어 있지 않은 경우, 더 많은 외기를 공급할수록 실내공기질은 향상된다. 그러나 도입된 외기를 냉난방 하는 경우 매우 큰 에너지를 소비하게 된다. 일반적으로 사무실 빌딩의 전체 냉난방 비용의 30% 혹은 그 이상이 도입되는 외기로 인한 것으로 알려지고 있다. 이러한 과도한 환기비용을 줄이기 위해서 전 세계적으로 현열온도 기반 공기측 절약기 (Economizer), 엔탈피 기반 공기측 절약기 (Economizer), 그리고 수요대응형 환기 (Demand Control Vebtilation)가 건물공조에 사용되는 추세에 있다.
엔탈피 기반 공기측 절약기는 외기, 재순환, 혼합공기의 현열 및 잠열을 고려하여 외기 도입량을 결정하므로 매우 습한 기후에서는 현열온도 기반 공기측 절약기에 비해 환기비용 개선효과가 뚜렷하나 센서 자체가 매우 고가이고, 상시 검정이 필요한 단점이 있다. 또한 상기의 환기제어방식은 거주인원이 변동하는 실내의 경우 미흡한 실내공기질 혹은 과도한 환기의 두가지 모드로 작동할 가능성이 매우 높다.
수요대응형 환기제어방식은 사람의 활동과 연관된 (Bio-effluent) 오염원이 건물증후근(Sick Buliding Syndrom)을 일으키는 중요한 원인 중의 하나라는 관찰로부터, CO2 발생과 인체 냄새사이의 깊은 연관성을 바탕으로 CO2 농도량을 인간에 의한 바이오 에플루언트(Bioeffluent)의 트레이서(Tracer)로 사용한다. ANSI/ASHRAE 62-1989에 따르면 "냄새에 대한 쾌적함은 CO2 농도량이 1000ppm 이하가 되도록 환기시 잘 만족된다"라고 정의되며, 또한 이후 추가된 ANSI/ASHRAE 62-1999에서는 "실내와 실외의 농도차이를 700 ppm 이내로 유지시 인당 CFM기준인 15CFM/person을 만족하는 것으로 한다"라고 추천한 바 있다.
이러한 CO2 가스는 외기중에 약 375ppm에서 450 ppm 사이로 존재하며 실내 재실인원에 비례하는 발생량 ( 1.2 Met 기준)을 나타내며, 매우 빠르게 확산하여 실내 편차가 약 50 ppm정도이며, 실외에 연소발생이 근처에 존재시 약 5000ppm 이상 농도가 나타나며, 또한 IAQ 제어시 외기도입량을 측정하는 방식으로 활용된다.
따라서 수요대응형 환기제어방식에서는 생체적 오염물질 검출용 개스 센서(Gas Sensor)로서 CO2 센서를 이용하여 다일루션(Dilution) 방식으로 실내 오염물질을 제거하며, 또한 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염물질 검출용 개스 센서(Gas Sensor)를 병행하여 재실인원이 없을 시에도 건물 내 빌드-업(Build-up) 오염물의 제거가 가능하도록 하는 추세이다. 일반적으로 건물공조에서 수요대응 환기방식을 적용 시에는 외기 도입량 뿐만 아니라 요구되는 실내 공기의 온도 및 습도를 만족시키기 위해, 댐퍼를 통해 제어되는 외기 급기량을 냉난방 기능의 공기처리장치(Air-Handling Unit)를 통과시켜 온도와 습도를 조절 후, 제어되는 공간으로 도입한다.
그러나, 공기처리장치(Air-Handling Unit)를 통한 중앙 냉난방 시스템 및 개별적 멀티형 냉난방기를 사용하는 독립 냉난방 시스템에서, 전열 혹은 현열교환기를 이용한 급기/배기 환기시스템과 생체활동 관련 오염물 농도를 검출하는 수요변화 대응제어 (Demand control)를 위해 단순한 온/오프(ON/OFF) 혹은 PID 제어를 적용시 기존의 바닥면적 혹은 인당 외기량 도입기준의 방식보다는 적어도 50% 이상의 에너지 절감이 예상되나, 농도감쇄가 에너지 효율적으로 일어나지 않는 문제점이 있다.
또한, 실내에서의 활동이 다양하며 독립된 공간들로 구성된 건물 내부의 IAQ 제어를 위해 수요변화 대응제어 (Demand control) 방식으로 환기를 하는 경우, 각 존(Zone)에 대응하는 수요변환 대응 제어기 알고리즘 내의 계절별 실내외 전열/현열 온도차, Vent 모드에서의 농도 경계값, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합모드의 선택들을 거주자가 능동적으로 할 수 없는 또 다른 문제점이 있다.
본 발명은 냉난방이 이루어지며 전열 혹은 현열교환기를 이용하여 급기 혹은 배기를 하는 빌딩 사무실 혹은 학교 등 다중이용시설 및 주거용 공조시스템에서 DCV를 적용하는 경우 농도감쇄가 에너지 효율적으로 일어나지 않는 전자의 문제점을 극복하기 위해, 생체활동 관련 오염물 농도를 검출하는 수요변화 대응제어용 전열 혹은 현열교환기의 환기 시간 간격 및 해당 동등 환기량 (Qeq) 등의 조합모드로 에너지 소비가 최소가 되도록 하는 동시에 쾌적한 실내 공기질을 확보할 수 있도록 한 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 IAQ 제어 방법 및 네트워크 기반 IAQ 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 실내에서의 활동이 다양하며 독립된 공간들로 구성된 건물 내부의 IAQ 제어를 위해 수요변화 대응제어 (Demand control) 방식으로 환기를 하는 경우, 각 Zone에 대응하는 수요변환 대응 제어기 알고리즘 내의 실내외 전열/현열 온도차, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합모드의 선택 들을 거주자가 능동적으로 할 수 없는 후자의 문제점을 해결하기 위해, 반 영구적인 열교환기 제어방식과는 달리 M.P.U (Micro Process Unit)에 각 공간의 상황에 맞게 데이터를 업로딩하거나 모드를 지능적으로 선택할 수 있도록 하는 중앙제어를 이더넷 방식으로 수행함을 특징으로 하는 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 IAQ 제어 방법 및 네트워크 기반 IAQ 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 IAQ 제어방법은 냉난방 시스템과 연동되어 열교환 및 환기 처리 시스템을 통해 급.배기를 수행하며, 배기덕트부 또는 실내에 설치된 다수개의 CO2센서에 의해 검출된 이산화탄소 농도에 따라 실내공기오염을 판단하여 실내공기의 급/배기를 수행하는 열교환 및 환기방법에 있어서,외기와 실내의 건구 온도차나 엔탈피 차에 따라 바이패스(Bypass) 운전, 단수 제어운전, 혼합 환기운전, 절약기측 운전을 조합한 FAST/SLOW/ECONO 프로세스 또는 이들의 조합에 의해 공조운전 제어를 수행하는 공조운전 제어과정;상기 각 CO2센서들과 VOC센서를 통해 실시간으로 측정되는 농도값들에 따라 각 환기 공간별로 요구되는 유효 공기치환 횟수(ACH) 또는 동등(Equivalent) 외기 급기량을 실시간으로 제어하며,상기 각 환기 공간별 또는 평균적 오염농도의 범위에 따른 Vent 모드를 정의하며 각 Vent 모드에서는 각 구역 내의 실내 초기 오염농도 (Co)보다 낮은 Css를 갖는 동등 환기 유량(Qeff) 중 각 모드별로 정해진 최소유량부터 시작하여 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2) 혹은 정해진 시간 동안 Ctarget (각 구역의 최소값)에 도달할 때까지 단계별로 혹은 연속적으로 풍량을 증가시켜 Ctarget 에 도달하게 한 후, 다시 하위모드운전들을 통해 상기 과정을 반복해 최종 목표 실내 오염농도를 Css이하를 유지하는 동시에, 각 Vent 모드에서의 시간 평균 동등환기량은 각 환기 공간별 요구되는 최소 외기급기량보다 크도록 제어하며,급속한 오염 농도의 증가, 출입문 및 창문 개도로 인한 실내 환경의 변화에 빠른 대응을 위해 운전모드의 순차적 운행과 관계없이 주기적으로 온도 혹은 엔탈피차에 따른 FAST/SLOW/ECONO 프로세스 및 농도에 따른 Vent 모드를 재선정하며,상기 농도에 따른 Vent 모드 운전 중 설정된 시간 동안 동일 모드 내의 운전이 지속되는 경우 현재 농도와 관계없이 한 단계 높은 Vent모드로 Ctarget에 도달하도록 하는 오염농도 기반 공조 제어과정;을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
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또한 상기 본 발명의 IAQ 제어방법에서, 상기 환기 및 공조 제어 시, 동시 급배기, 혹은 강제 급기 및 자연 틈새 배기, 혹은 강제 배기 및 자연 틈새 급기의 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 능동 공조 및 환기를 수행하기 위하여,
국부적 혹은 평균적 오염농도의 범위에 따른 Vent 모드를 정의하며 각 Vent 모드에서는 각 구역 내의 실내 초기 오염농도 (Co)보다 낮은 Css를 갖는 동등 환기 유량(Qeff) 중 각 모드별로 정해진 최소유량부터 시작하여 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2) 혹은 정해진 시간 동안 Ctarget (각 구역의 최소값)에 도달할 때까지 단계별로 혹은 연속적으로 풍량을 증가시켜 Ctarget 에 도달하게 한 후, 다시 하위모드운전들을 통해 상기 과정을 반복해 최종 목표 실내 오염농도를 Css이하를 유지하는 동시에, 각 Vent 모드에서의 시간 평균 동등환기량은 각 환기 공간별 요구되는 최소 외기급기량보다 크도록 제어하며,
급속한 오염 농도의 증가, 출입문 및 창문 개도로 인한 실내 환경의 변화에 빠른 대응을 위해 운전모드의 순차적 운행과 관계없이 주기적으로 온도 혹은 엔탈피차에 따른 FAST/SLOW/ECONO 프로세스 및 농도에 따른 Vent 모드를 재선정하며,
만일 농도에 따른 Vent 모드 운전 중 정한 시간 동안 동일 모드 내의 운전이 지속되는 경우 현재 농도와 관계없이 한 단계 높은 Vent모드로 Ctarget에 도달하게 하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 본 발명의 IAQ 제어방법에서, 상기 실내 오염농도가 최종 목표 실내 오염농도를 도달한 후에는 Ctarget이 중간에 놓이는 두 운전모드의 속도 사이를 번갈아 반복하거나, 매 순간의 에러 신호의 크기, 에러신호의 미분치 및 주어진 시간동안의 에러신호의 적분 값의 산술적 조합의 PID 제어를 통해 Ctarget 농도를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 본 발명의 IAQ 제어방법에서, 상기 Vent 모드는 하이+바이패스 (High + Bypass), 하이(High), 미들(Mid), 로우(Low), 절약(Econo), PID 모드로 각각 정의됨을 특징으로 한다.
한편 본 발명에 따른 IAQ제어 시스템은 소정 공간을 독립적 혹은 중앙에서 냉난방하는 시스템과 연동되어 열교환을 수행하기 위한 열교환 장치와, 이와 연동되어 급배기 혹은 공기청정이나 바이패스 처리를 수행하는 환기장치와, 외기와 실내의 온도를 감지하는 온도센서와, 실내의 공기 질(IAQ)을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 척도인 CO2 농도값을 감지하는 CO2센서와, 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내 공기 오염의 척도인 VOC센서와, 열교환장치 및 환기장치를 제어하여 실내공기를 조절하는 컨트롤러와,상기 컨트롤러에 연결되어 시스템 동작 상태를 표시하는 디스플레이 유닛과, 상기 컨트롤러와 이더넷 통신을 기반으로 하여 제반 데이터의 업로드/다운로드를 수행하는 서버로 구성된 실내 공기질 제어시스템에 있어서,상기 컨트롤러는 상기 CO2 센서 전용포트, 온도 센서 전용포트, 그리고 VOC센서용 포트로 구성되는 복수개의 입력단과, 급/배기와 바이패스 구동을 위한 복수개의 모터 회전속도를 제어하도록 하는 복수개의 디지털 출력단과, 자체 프로토콜을 가지고 RS232 양방향 통신이 가능하며 디스플레이 유닛에 연결되어 신호를 받는 포트와 PC와 연결하여 데이터 업로드/다운로드 및 소프트웨어로 구동되는 조작을 위한 포트로 구성되며 통신규약 (Protocol)으로는 동작중지/동작중지 해제/Auto Mode설정/Sleep Mode설정/Outdoor Mode설정/급배기 1단 설정/급배기 2단 설정/급배기 3단 설정/High Vent Mode 설정/Mid Vent Mode 설정/Low Vent Mode 설정/모든 Motor 정지 명령 등으로 구성되는 직접명령과 변수 데이터 업로드/변수 데이터 다운로드/Refresh 데이터 로딩/시간설정 명령을 포함한 전송명령을 수행하는 통신부로 구성되며,상기 서버는 건물 내부의 IAQ 제어를 위해, M.P.U (Micro Process Unit)에 각 공간의 상황에 맞게 데이터를 업로딩하거나 모드를 지능적으로 선택할 수 있도록 하는 중앙제어나 중앙로컬제어 혹은 웹(Web)을 이용한 중앙로컬제어를 이더넷 방식으로 수행하며, 메인 서버로부터 제어기(컨트롤러)의 가상 IP 혹은 로컬 컴퓨터의 IP와 데이터를 패킷 형태로 받게 되며, 그 패킷 데이터는 각 Zone에 대응하는 수요변환 대응 제어기 알고리즘 내의 계절별 실내외 전열/현열 온도차, Vent 모드에서의 농도 경계값, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합모드의 선택 등으로 구성되며, 제어기의 센서부를 통해 받은 Zone별 정보의 실시간 피이드백(Feedback) 데이터들을 이용하여 지능적으로 제어하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 전열 혹은 현열교환기 혹은 내부 순환 공기청정 기능을 갖는 환기장치 내에 있는 AC 모터 권선제어를 통한 단수 제어 방식이거나 혹은 연속 속도제어방식에서, 초기농도 (Co)보다 낮은 Css를 갖는 동등 환기 유량(Qeff)의 운전속도 내에서 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2) 혹은 정해진 시간 동안 최소유량부터 시작하여 Ctarget에 도달할 때까지 단계별로 혹은 연속적으로 풍량을 증가시키며, Ctarget 에 도달한 후에는 Ctarget이 중간에 놓이는 두 운전 속도 사이를 번갈아 반복하거나 PID 제어를 통해 Ctarget 농도를 유지하는 알고리즘을 바탕으로 실내 IAQ 제어를 수행한다.
즉, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 공조시스템에서 DCV를 적용하는 경우 농도감쇄가 에너지 효율적으로 일어나지 않는 전자의 문제점을 극복하기 위해, 생체활동 관련 오염물 농도를 검출하는 수요변화 대응제어용 전열 혹은 현열교환기의 환기 시간 간격 및 해당 동등 환기량 (Qeq) 등의 조합모드로 에너지 소비가 최소가 되도록 하는 동시에 쾌적한 실내 공기질을 확보할 수 있도록 제어한다.
도 2는 이러한 본 발명의 수요 대응 제어형 열교환 시스템의 구성을 보여준다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이 마이크로 프로세서(201)와 컨트롤러(202)를 포함하는 제어부(200), 실내/외기 사이의 열교환이 이루어지기 위한 열교환부(203), 그리고 자세한 표현이 생략된 각종 센서들과 구동장치들이 포함된다.
먼저, DCV를 적용하는 경우 절약되는 에너지 량을 계산하기 위해, 동시 사용을 나타내는 변수 S를 도입한다. 즉, S는 건물내 현재 사용되고 있는 정도를 나타내는 소수로 건물의 종류에 따라 차이는 있지만 대체로 0.4에서 0.9의 값을 갖는다. (오피스 건물: 0.6 ) 따라서 S량은 현재 요구되는 외기량과 밀접하게 관련이 있다. 환기에 필요한 기계적 에너지는 S의 삼승(세제곱)에 비례하는 반면, 요구되는 열에너지는 S에 비례하게 된다.
요구되는 전열 에너지 및 환기 에너지를 각각 A와 B라고 하면 빌딩의 전체에너지 Eo = A + B 로 표현된다. 만일 전열 혹은 현열 교환기가 없을 경우, 전열에너지가 기계에너지 보다 약간 커서 A는 Eo의 55% 그리고 B는 Eo의 45%가 된다. 열효율이 65-70%가량의 전열교환기를 도입한다면, 기계에너지의 증가 없이도 최소한 40%의 열에너지를 절약하게 되며 이 경우 전열에너지 사용량은 상기 량에 상수 F(=0.6 가량)를 곱한 값이 된다. 이로 인해 A는 Eo의 33% 정도가 되며, 팬의 기계적 에너지가 에너지 소모량 중 큰 비중을 차지하게 된다. 즉, A=0.33 Eo, B=0.45 Eo이다. 따라서 F=1인 경우 (전열교환기 무사용)와 F=0.6인 경우 (전열교환기 사용)에 대해 DCV를 적용하면, 다음과 같은 새로운 건물 에너지 사용량인 E, 즉 전체 에너지 사용량 (DCV): E = FAS + BS3 와 전체 절약에너지: QE = Eo - E를 구할 수 있게 된다.
초기 전체에너지와 절약된 에너지의 비인 QE /Eo를 표로 정리하면 다음과 같다.
S Factor 전열교환기 미사용 전열교환기 사용
A = 0.55Eo ,B = 0.45EoS3 A = 0.33Eo , B = 0.45EoS3
1.0 0 % 22 %
0.9 18 % 37 %
0.8 33 % 51 %
0.7 46 % 61 %
0.6 57 % 70 %
0.5 67 % 78 %
위 표로 미루어 보면, DCV를 사용하는 경우 전열교환기 사용과 관계없이 절반이상의 에너지 절약이 가능함을 알 수가 있다. 또한 전열교환기를 설치한 시스템인 경우 팬 에너지가 전체 에너지의 70%를 차지하고 있으므로, DCV를 적용하면 단순한 전열교환기에 의해 약 20%의 에너지 절약에 비해 2배 혹은 3배 이상의 더욱 많은 에너지절약이 예상된다.
환기를 통해 실내 오염 농도를 제어하는 경우, 외부 CO2 농도, 현재 실내 CO2 농도, 예상 재실인원, 외기량, 지정된 공간의 유효 부피를 각각 Co, C*, N, Q, Veff라 할 때, 농도 평형 방정식으로부터 시간에 따른 실내 농도의 변화는;
으로 표현된다.
도 1에 나타난 공기처리장치를 통한 재순환 및 전열 혹은 현열교환기를 통한 외기도입 후 혼합공기를 급기하는 환기모델에서의 농도평형방정식은;
으로 표현된다.
여기서, m은 불균일 혼합도를 나타내는 값으로 완전 혼합시 m=1이며, f는 전열 혹은 현열교환기를 통과하여 급기되는 외기량과 전체 급기량 Q와의 비율이며, η는 내부순환 공기청정기의 청정효율이다. 따라서 유효하게 급기되는 동등 외기 유량 Qeq는 앞의 농도 평형 방정식으로부터 이론적으로 다음과 같이 구해진다.
본 발명에서는 생체활동 관련 실내 오염의 척도인 CO2 농도를 감지하여 DCV를 수행하기 위해 전열/현열교환기 혹은 내부 순환 공기청정 기능을 갖는 환기장치의 동등 환기량의 제어방법에 따른 에너지 소비량을 비교하여 에너지 최적의 제어방법을 설명한다.
예를 들어 실내 공간의 유효체적인 Veff =24m3, 재실인원인 N=4이며, AC 모터의 권선제어를 통한 1단, 2단 및 3단 유량제어시의 동등 환기 유량(Q eff )이 각각 250CMH, 350 CMH, 500 CMH라고 하면, 외기 CO2 농도 (Co)가 450ppm인 경우 실내초기 농도와 관계없이 평형농도는 앞서 설명한 시간에 따른 실내 농도의 변화;
으로부터 각각 Css는 738,656,594 ppm이 구해진다. 현재 실내농도와 실내 최종 평형 농도와의 차이 (C(t)-Css)가 초기 차이값 (Co-Css)의 절반이 될 때의 시간간격 (Δt1/2)은 동등 환기량 (Qeff)에 반비례한다. 실내 목표 오염농도 Ctarget 이 700ppm인 경우에 대해 세 가지 제어방식을 비교하면 다음과 같다.
도 3에 나타난 계단식 풍량 증가 방식에서는 초기농도 (Co)보다 낮은 Css를 갖는 동등 환기 유량(Qeff)의 운전단수 중에서 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2) 혹은 정해진 시간 동안 최소유량부터 시작하여 Ctarget 에 도달할 때까지 단계별로 단수 (풍량)를 증가시키며, Ctarget 에 도달한 후에는 Ctarget이 중간에 놓이는 두 운전 단수를 번갈아 반복한다. 즉, 본 예에서는 1단-2단-3단-2단-1단-2단-1단의 순으로 제어한다.
도 4에 나타난 계단식 풍량 감소 방식에서는 각 동등 환기 유량(Q eff )에서의 Css가 Ctarget 보다 낮은 동등 환기 유량(Q eff )의 운전단수 중에서, 최대유량부터 시작하여 Ctarget 에 도달할 때까지 단계별로 풍량을 감소시키며, Ctarget 에 도달한 후에는 Ctarget이 중간에 놓이는 두 운전 단수를 번갈아 반복한다. 즉, 본 예에서는 3단-2단-1단-2단-1단-2단-1단의 순으로 제어한다.
도 5에 나타난 ON/OFF식 제어 방식에서는 각 동등 환기 유량(Q eff )에서의 Css가 Ctarget 및 Covershoot보다 낮은 동등 환기 유량(Qeff)의 운전단수 중에서, 최저 유량으로 Covershoot에 도달할 때까지 운전하며, Covershoot에 도달한 후에는 Ctarget 에 도달할 때까지 OFF 운전을 하며 Ctarget에 도달하면 다시 상기 단수로 ON 운전으로 번갈아 반복한다. 즉, 본 예에서는 3단-OFF-3단-OFF-3단-OFF-3단의 순으로 제어한다.
상기 예에서 약 1시간 가량동안 재실 인원의 변화가 없다고 가정하여 1시간 운전 동안의 소비동력을 비교하면 도 4의 두 번째 방식과 도 5의 세 번째 방식은 도 3의 첫 번째 방식에 비해 약 10% 및 50%의 소비동력 증가를 나타낸다.
따라서 전열/현열교환기 혹은 내부 순환 공기청정 기능을 갖는 환기장치 내에 있는 AC 모터 권선제어를 통한 단수 제어 방식이거나 혹은 연속 속도제어방식에서, 초기농도 (Co)보다 낮은 Css를 갖는 동등 환기 유량(Qeff)의 운전속도 내에서 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2) 혹은 정해진 시간 동안 최소유량부터 시작하여 Ctarget에 도달할 때까지 단계별로 혹은 연속적으로 풍량을 증가시키며, Ctarget 에 도달한 후에는 Ctarget이 중간에 놓이는 두 운전 속도 사이를 번갈아 반복하거나 PID 제어를 통해 Ctarget 농도를 유지하는 것이 가장 에너지 효율적이다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 실내에서의 활동이 다양하며 독립된 공간들로 구성된 건물 내부의 IAQ 제어를 위해 수요변화 대응제어 (Demand control) 방식으로 환기를 하는 경우, 각 Zone에 대응하는 수요변환 대응 제어기 알고리즘 내의 실내외 전열/현열 온도차, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합모드의 선택 들을 거주자가 능동적으로 할 수 없는 후자의 문제점을 해결하기 위해, 반 영구적인 열교환기 제어방식과는 달리 M.P.U (Micro Process Unit)에 각 공간의 상황에 맞게 데이터를 업로딩하거나 모드를 지능적으로 선택할 수 있도록 하는 중앙제어를 이더넷 방식으로 수행한다.
도6은 이러한 본 발명의 컨트롤러 제어 시스템 구성을 보여준다. 즉, 도 6에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 제어 시스템은 CO2센서(601), 습도센서(602), 온도센서(603), VOC 센서(604) 등의 센서부(600)와, 상기 센서부(600)로부터 입력된 정보를 기반으로하여 공조 제어를 수행하기 위한 컨트롤러(605), 그리고 컨트롤러(605)와 연결되어 시스템 동작 상태를 표시해 주기 위한 디스플레이 유닛(Display Unit)(606), 이더넷(Ethernet) 통신 방식을 이용해서 컨트롤러(605)와 통신을 수행하며 제반 데이터를 컨트롤러(605)에 업로딩(Data Uploading)해 주는 중앙 컴퓨터(메인 서버)(607)와, 상기 컨트롤러(605)와 연결되어 구동되는 바이패스 팬(Bypass Fan), 필터 유닛(Filter Unit), 공기청정유닛(Air Cleaning Unit)으로 이루어지는 팬/필터/클리너 유닛부(608)와, 상기 컨트롤러(605)와 연결되어 구동되며 급기 팬(Supply Fan), 배기 팬(Discharge Fan)이 장착되어 있고 열교환이 수행되는 열교환 유닛(Heat Recovery Unit)(609)를 포함하여 이루어지고 있다.
도6에 도시된 제어기(Controller) 내의 주제어기판 (Main PCB Board)은, 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 IAQ 제어를 전기적 회로를 이용하여 구현하기 위해, 센싱된 오염농도와 온도 및 VOC를 기반으로 하여 급기모터, 배기모터, 바이패스 구동 제어를 수행하고 PC와의 통신 및 데이터 업/다운 로드를 수행하는 CPU(605a)와, 전류/전압변환의 아날로그 입력 포트인 CO2 센서 전용포트(0~4Vdc), 온도 센서 전용포트(4~20mA), 그리고 VOC센서용 포트(0~5Vdc)로 구성되는 입력단(605b)과 AC220 전압으로 모터 회전속도를 제어하도록 하는 디지털 출력단(605c), 그리고 자체 프로토콜을 가지고 RS232 양방향 통신이 가능하며 디스플레이 유닛(Display Unit)에 연결되어 신호를 받는 RJ45포트와 PC와 연결하여 데이터 업로드/다운로드 및 소프트웨어로 구동되는 조작을 위한 DSUB 포트로 구성되는 통신부(605d)를 포함한다.
또한 본 발명의 제어알고리즘의 실행에서 사용하는 통신규약 (Protocol)은 동작중지/동작중지 해제/Auto Mode설정/Sleep Mode설정/Outdoor Mode설정/급배기 1단 설정/급배기 2단 설정/급배기 3단 설정/High Vent Mode 설정/Mid Vent Mode 설정/Low Vent Mode 설정/모든 Motor 정지 명령 등으로 구성되는 직접명령과 변수 데이터 업로드/변수 데이터 다운로드/Refresh 데이터 로딩/시간설정 명령 등의 전송명령으로 구성된다. 예를 들어 Auto Mode설정 명령의 형식은 [Hex(2) + ":auto:" + Hex(3)]과 같으며, 변수 데이터 업로드 명령의 예는 아래와 같다.
<PC Or Display Unit> <Main Control Board>
Hex(2) + ":upld:' + Hex(3) -------- (Delay Time)
Ready <------- ACK
데이터 전송; Hex(2) + ":ㆍㆍㆍ:" + Hex(3)(1) ------ (Ready)
Delay Time 2000ms
Run
도 6에 나타낸 제어기(605)는 각 제어 공간 혹은 열교환기 내에 설치된 CO2 센서(601), 습도 센서(602), 온도센서(603)로부터의 아날로그 정보(Analog Data Input)를 받아, 앞서 설명한 에너지 효율적인 알고리즘을 이용하여 전열/현열교환기(609) 혹은 내부 순환 공기청정 기능을 갖는 환기장치(608) 내에 있는 AC 모터 권선제어를 통한 단수 제어 혹은 연속 속도제어를 수행한다. 또한 각 제어 공간 혹은 열교환기 내에 설치된 CO2 센서(601), 습도 센서(602), 온도센서(603)로부터의 아날로그 정보를 디지털 패킷으로 구분하여 이더넷(Ethernet) 통신방식을 통해 중앙에 있는 컴퓨터(607)에 통신하며, 이 중앙 컴퓨터(607)에서는 각 환기 공간의 특성에 맞게 기준 실내외 전열/현열 온도차, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합의 선택 데이터를 다시 컨트롤러(605)에 업 로딩하게 된다. 그리고 이러한 일련의 작동에 관련된 시스템 동작 상태는 디스플레이 유닛(606)에 표시된다.
도 7(도7a ~ 도7d)과 도 8(도8a ~ 도8d)에는 열교환기나 환기장치의 기본적인 제어모드인 자동운전모드(Auto Mode)와 취침모드(Sleep Mode)에 본 발명의 제어 방법을 적용한 실시 예가 나타나 있다. 즉, 제어기의 자동운전모드에서는 먼저 제어기 내부에 있는 시계(Clock)를 이용하여 계절을 여름, 겨울, 봄/가을로 구분한 후, 각 계절별로 설정된 실내외 온도차 ( To-Ti ) 혹은 엔탈피 차 ( ho-h i )와 비교하여 Tset 혹은 hset 보다 큰 경우에는 열교환기를 통해 급기하는 방식이 실내외 온도차로 인해 쾌적성을 훼손할 수 있으므로 SLOW 혹은 ECONO 방식의 농도제어를 수행한다. 즉, (To-Ti)≥Tset 1 혹은 (ho-hi)≥h set 1, Tset 2≤(To-Ti)<Tset 1 혹은 hset 2≤(ho-hi)<hset1, (To-Ti)<Tset 2 혹은 (ho-hi)<hset 2의 세 가지 경우에 대해 여름에는 각각 ECONO/SLOW/FAST 프로세스로서, 그리고 겨울에는 FAST/SLOW/ECONO 프로세스로서, 그리고 봄과 가을에는 SLOW/FAST/ECONO 프로세스로 동작한다.
먼저 도7을 참조하여 자동운전 모드의 제어방법을 상세하게 살펴본다. 도7a는 자동운전 모드의 주 제어수순이고, 도7b는 여름 설정루틴의 제어수순이며, 도7c는 겨울 설정루틴의 제어수순이며, 도7d는 봄/가을 설정루틴의 제어수순이다.
도7a에 나타낸 바와 같이 첫 단계(S700)는 계절을 판별한다. 즉, 제어기 내부에 있는 클럭을 이용해서 현재 날짜가 몇월(Month)인가를 검색하여 6월,7월,8월이면 여름 설정루틴(S701a)으로 이행하고, 12월,1월,2월이면 겨울 설정루틴(S701b)으로 이행하고, 3월,4월,5월,9월,10월,11월이면 봄/가을 설정루틴(S701c)으로 이행한다.
도7b는 여름 설정루틴(S701a)의 제어수순이다. To와 Ti 및 CO2 농도(C o )를 기반으로 하여 다음과 같이 제어한다.
단계(S702)에서 To-Ti < 0인가를 판별하여 To-Ti < 0 이면 단계(S703)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도( C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1200ppm 이하이면 Low 모드, 1200ppm 이상 1500ppm 이하이면 MID 모드, 1500ppm 이상 1900ppm 이하이면 High모드, 1900ppm 이상이면 Bypass+High모드로 제어한다.
다음 단계(S704)에서 0 <= To-Ti < 5인가를 판별하여 0 <= To-Ti < 5 이면 단계(S705)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO 2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1200ppm 이하이면 Econo 모드, 1200ppm 이상 1500ppm 이하이면 Low 모드, 1500ppm 이상 1900ppm 이하이면 MID모드, 1900ppm 이상이면 High모드로 제어한다.
다음 단계(S706)에서 5 <= To-Ti인가를 판별하여 5 <= To-Ti 이면 단계(S707)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID 모드 700ppm, 700ppm 이상 1200ppm 이하이면 PID모드 950ppm, 1200ppm 이상 1500ppm 이하이면 Econo 모드, 1500ppm 이상 1900ppm 이하이면 Low 모드, 1900ppm 이상이면 MID 모드로 제어한다.
지금까지 설명한 여름 AUTO FAST 프로세스에서는 실내 농도가 1900ppm보다 큰 경우, 1500ppm 이상 1900ppm 이하, 1200 ppm 이상 1500ppm 이하, 700 ppm 이상 1200ppm 이하 및 700ppm이하의 구역별로 High+Bypass, High, Mid, Low, PID모드들이 정의 되어 있다.
실내 초기 오염농도 (C o )가 1,900 ppm 보다 큰 경우에는 C target 은 1,900 ppm이 되며, 초기농도 (C o )보다 낮은 C ss 를 갖는 동등 환기 유량(Q eff ) 중 모드별로 정해 놓은 최소유량부터 시작하여 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2) 혹은 정해진 시간 동안 C target 에 도달할 때까지 단계별로 혹은 연속적으로 풍량을 증가시키며, C target 에 도달하게 된다 (High+Bypass모드). 여기서 Bypass는 전열/현열 교환기를 통과시키지 않고 필터링후 강제 도입되는 외기모드를 의미한다.
실내 오염 농도C target 인 1,900 ppm에 도달하면 그 다음 모드 (High모드)로 전환되며, 그 다음 구역의 C target 인 1,500 ppm보다 낮은 C ss 를 갖는 동등 환기 유량(Q eff ) 중 모드별로 정해 놓은 최소유량부터 시작하여 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2 ) 혹은 정해진 시간 동안 C target 에 도달할 때까지 단계별로 혹은 연속적으로 풍량을 증가시키며, C target 인 1,500 ppm에 도달하면 그 다음 모드인 Mid 모드로 전환하게 된다.
도7c는 겨울 설정루틴(S701b)의 제어수순이다. To와 Ti 및 CO2 농도(C o )를 기반으로 하여 다음과 같이 제어한다.
단계(S708)에서 To-Ti < -18인가를 판별하여 To-Ti < -18 이면 단계(S709)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 800ppm 이하이면 PID모드 800ppm, 800ppm 이상 1000ppm 이하이면 PID 모드 900ppm, 1000ppm 이상 1500ppm 이하이면 PID 모드 1250ppm, 1500ppm 이상 1900ppm 이하이면 Econo모드, 1900ppm 이상이면 Low모드로 제어한다.
다음 단계(S710)에서 -18 <= To-Ti < -10인가를 판별하여 -18 <= To-Ti < -10 이면 단계(S711)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 800ppm 이하이면 PID모드 800ppm, 800ppm 이상 1000ppm 이하이면 PID 모드 900ppm, 1000ppm 이상 1500ppm 이하이면 Econo 모드, 1500ppm 이상 1900ppm 이하이면 Low모드, 1900ppm 이상이면 MID모드로 제어한다.
다음 단계(S712)에서 -10 <= To-Ti인가를 판별하여 -10 <= To-Ti 이면 단계(S713)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 800ppm 이하이면 PID모드 800ppm, 800ppm 이상 1000ppm 이하이면 Econo 모드, 1000ppm 이상 1500ppm 이하이면 Low 모드, 1500ppm 이상 1900ppm 이하이면 MID모드, 1900ppm 이상이면 High모드로 제어한다.
지금까지 설명한 겨울 AUTO FAST 프로세스에서는 실내 농도가 1900ppm보다 큰 경우, 1500ppm 이상 1900ppm 이하, 1000 ppm 이상 1500ppm 이하, 800 ppm 이상 1000ppm 이하 및 800ppm이하의 구역별로 High, Mid, Low, PID모드들이 정의 되어 있다.
도7d는 봄/가을 설정루틴(S701d)의 제어수순이다. To와 Ti 및 CO2 농도(C o )를 기반으로 하여 다음과 같이 제어한다.
단계(S714)에서 To-Ti < -15인가를 판별하여 To-Ti < -15 이면 단계(S715)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1000ppm 이하이면 PID 모드 850ppm, 1000ppm 이상 1200ppm 이하이면 PID 모드 1100ppm, 1200ppm 이상 1500ppm 이하이면 Econo모드, 1500ppm 이상이면 Low모드로 제어한다.
다음 단계(S716)에서 -15 <= To-Ti < +5인가를 판별하여 -15 <= To-Ti < +5 이면 단계(S717)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1000ppm 이하이면 Econo 모드, 1000ppm 이상 1200ppm 이하이면 Low 모드, 1200ppm 이상 1500ppm 이하이면 MID모드, 1500ppm 이상이면 High모드로 제어한다.
다음 단계(S718)에서 +5 < To-Ti인가를 판별하여 +5 < To-Ti 이면 단계(S719)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1000ppm 이하이면 PID 모드 850ppm, 1000ppm 이상 1200ppm 이하이면 Econo 모드, 1200ppm 이상 1500ppm 이하이면 Low모드, 1500ppm 이상이면 MID모드로 제어한다.
지금까지 설명한 봄/가을 AUTO FAST 프로세스에서는 실내 농도가 1500ppm보다 큰 경우, 1200ppm 이상 1500ppm 이하, 1000 ppm 이상 1200ppm 이하, 700 ppm 이상 1000ppm 이하 및 700ppm이하의 구역별로 High, Mid, Low, PID모드들이 정의 되어 있다.
다음 도8을 참조하여 취침(Sleep)운전 모드의 제어방법을 상세하게 살펴본다. 도8a는 취침운전 모드의 주 제어수순이고, 도8b는 여름 설정루틴의 제어수순이며, 도8c는 겨울 설정루틴의 제어수순이며, 도8d는 봄/가을 설정루틴의 제어수순이다.
도8a에 나타낸 바와 같이 첫 단계(S800)는 계절을 판별한다. 즉, 제어기 내부에 있는 클럭을 이용해서 현재 날짜가 몇월(Month)인가를 검색하여 6월,7월,8월이면 여름 설정루틴(S801a)으로 이행하고, 12월,1월,2월이면 겨울 설정루틴(S801b)으로 이행하고, 3월,4월,5월,9월,10월,11월이면 봄/가을 설정루틴(S801c)으로 이행한다.
도8b는 여름 설정루틴(S801a)의 제어수순이다. To와 Ti 및 CO2 농도(C o )를 기반으로 하여 다음과 같이 제어한다.
단계(S802)에서 To-Ti < 0인가를 판별하여 To-Ti < 0 이면 단계(S803)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도( C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1200ppm 이하이면 Low 모드, 1200ppm 이상이면 MID 모드로 제어한다.
다음 단계(S804)에서 0 <= To-Ti < 5인가를 판별하여 0 <= To-Ti < 5 이면 단계(S805)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO 2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1200ppm 이하이면 Econo 모드, 1200ppm 이상이면 Low 모드로 제어한다.
다음 단계(S806)에서 5 <= To-Ti인가를 판별하여 5= < To-Ti 이면 단계(S807)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID 모드 700ppm, 700ppm 이상 1200ppm 이하이면 PID 모드 950ppm, 1200ppm 이상이면 Econo 모드로 제어한다.
도8c는 취침운전 모드에서의 겨울 설정루틴(S801b)의 제어수순이다. To와 Ti 및 CO2 농도(C o )를 기반으로 하여 다음과 같이 제어한다.
단계(S808)에서 To-Ti < -18인가를 판별하여 To-Ti < -18 이면 단계(S809)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 800ppm 이하이면 PID모드 800ppm, 800ppm 이상 1000ppm 이하이면 PID 모드 900ppm, 1000ppm 이상이면 PID모드 1000ppm으로 제어한다.
다음 단계(S810)에서 -18 <= To-Ti < -10인가를 판별하여 -18 <= To-Ti < -10 이면 단계(S811)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 800ppm 이하이면 PID모드 800ppm, 800ppm 이상 1000ppm 이하이면 PID 모드 900ppm, 1000ppm 이상이면 Econo 모드로 제어한다.
다음 단계(S812)에서 -10= < To-Ti인가를 판별하여 -10 <= To-Ti 이면 단계(S813)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 800ppm 이하이면 PID모드 800ppm, 800ppm 이상 1000ppm 이하이면 Econo 모드, 1000ppm 이상이면 Low 모드로 제어한다.
도8d는 취침운전 모드에서의 봄/가을 설정루틴(S701d)의 제어수순이다. To와 Ti 및 CO2 농도(C o )를 기반으로 하여 다음과 같이 제어한다.
단계(S814)에서 To-Ti < -15인가를 판별하여 To-Ti < -15 이면 단계(S815)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1000ppm 이하이면 PID 모드 850ppm, 1000ppm 이상이면 PID 모드 1000ppm으로 제어한다.
다음 단계(S816)에서 -15 <= To-Ti < +5인가를 판별하여 -15 <= To-Ti < +5 이면 단계(S817)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1000ppm 이하이면 Econo 모드, 1000ppm 이상이면 Low 모드로 제어한다.
다음 단계(S818)에서 +5 < To-Ti인가를 판별하여 +5 < To-Ti 이면 단계(S819)에서 CO2 농도(C o )에 따라 다음과 같이 제어한다. 즉, CO2 농도(C o )가 700ppm 이하이면 PID모드 700ppm, 700ppm 이상 1000ppm 이하이면 PID 모드 850ppm, 1000ppm 이상이면 Econo 모드로 제어한다.
지금까지 설명한 방식으로 High+Bypass, High, Mid, Low 모드들을 거쳐 실내 오염농도는 소정의 설정치(예를 들면 여름 700 ppm, 겨울 800ppm, 봄/가을 700ppm) 이하를 유지하게 된다.
그러나 실내 재실 인원의 변화, 취사 등으로 인한 급속한 오염 농도의 증가, 출입문 및 창문 개도로 인한 실내 환경의 변화에 따른 빠른 대응을 위해 High+Bypass, High, Mid, Low모드의 순차적 진행과 관계없이 주기적으로 온도차 혹은 엔탈피차에 따른 FAST/SLOW/ECONO 프로세스 및 농도에 따른 Vent 모드 (High+Bypass, High, Mid, Low, Econo, PID)를 재선정하게 된다.
만일 농도에 따른 Vent 모드 진행 중 1시간 동안 동일 모드 내의 운전이 지속되는 경우, 현재 농도와 관계없이 한 단계 높은 Vent모드로 Ctarget에 도달하게 된다. 또한 실내 오염농도가 700 ppm인 C target 에 도달한 후에는 C target 이 중간에 놓이는 두 운전 속도 사이를 번갈아 반복하거나 PID 제어하는 PID 모드를 통해 C target 농도를 유지한다. 도 9에는 앞서 전술한 다양한 형태의 Vent 모드의 실시예와 함께 수동(Manual) 모드의 운전 제어방법이 나타나 있다.
외출모드의 경우 2시간 주기로 10분씩 급,배기 1단으로 환기한다. 취침모드의 경우 실시간으로 센싱된 CO2 농도(C o )에 따라 상기 도8에 나타낸 바와 같이 운전제어를 수행한다. 자동운전 모드에서는 실시간으로 센싱된 CO2 농도(C o )에 따라 상기 도7에 나타낸 바와 같이 운전제어를 수행한다. Econo 모드(Economic MODE)의 경우 CO2 농도(C o )의 변화가 없을 때 1시간 주기로 도면에 표현된 운전패턴을 반복한다. High VENT MODE와 MOD VENT MODE, LOW VENT MODE에 대해서는 각각 그래프 타입으로 운전 패턴을 표현한 것과 같이 공조 제어를 수행한다.
한편, 본 발명은 실내에서의 활동이 다양하며 독립된 공간들로 구성된 건물 내부의 IAQ 제어를 위해 수요변화 대응제어 (Demand control) 방식으로 환기를 하는 경우, 각 Zone에 대응하는 수요변환 대응 제어기 알고리즘 내의 계절별 실내외 전열/현열 온도차, Vent 모드에서의 농도 경계값, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합모드의 선택 들을 거주자가 능동적으로 할 수 없는 문제점을 해결하기 위해, 반영구적인 열교환기 혹은 환기장치 제어방식과는 달리 M.P.U. (Micro Process Unit)에 각 공간의 상황에 맞게 데이터를 업로딩하거나 모드를 지능적으로 선택할 수 있도록 하는 중앙제어를 이더넷 방식으로 수행한다.
도 10, 도 11, 그리고 도 12는 각 공간의 상황에 맞게 데이터를 업로딩하거나 모드를 지능적으로 선택할 수 있도록 하는 중앙제어를 이더넷 방식으로 수행하는 다른 실시 예가 나타나 있다.
도 10은 중앙 로컬 제어방식을 보여주고 있다. 즉, 로컬 컴퓨터(1001)가 열교환기 혹은 환기장치와 시리얼 통신을 통하여 열교환기 혹은 환기장치를 제어하는 중앙로컬 제어방식 예가 나타나 있다. 열교환기 혹은 환기장치의 제어에 필요한 데이터는 메인 서버(1002)로부터 로컬 컴퓨터(1001)의 IP와 데이터를 패킷 형태로 받게 된다.
즉, 각 Zone에 대응하는 수요변환 대응 제어기 알고리즘 내의 계절별 실내외 전열/현열 온도차, Vent 모드에서의 농도 경계값, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합모드의 선택을 데이터 베이스(Data Base)화 하여, 메인서버(1002)에서는 각 로컬 컴퓨터(1001)를 통해 해당 Zone의 실내 환경 상황에 맞게 열교환기 혹은 환기장치를 컨트롤러(1003)를 통해서 작동시킨다.
통신방식에 따라서는 로컬과 메인 서버와의 통신을 위한 이더넷(Ethernet) 통신 방식으로 I P가 필요하며, 이 I P는 가상 I P를 사용할 수 있다.
또한 메인 서버(1002)에서 우선 제어권을 주어 로컬 제어에서 수행하는 동작보다 우선적인 모드로 운전하게 한다.
도 11은 중앙 제어 방식의 실시예가 나타나 있다. 중앙 로컬 방식에 비해 시스템의 구조는 단순하나, 메인 서버(1101)는 각 열교환기 혹은 환기장치의 상황에 맞게 컨트롤러(1102)를 통해 제어해야 하므로 시스템의 부하가 크다.
통신방식은 이더넷(ethernet) 방식으로 중앙 로컬 제어 방식에서 메인과 로컬과의 통신방식을 따르고 가상 I P를 사용하므로, 제어기의 가상 IP와 제어방식에 대한 상세 데이터의 패킷형태로 각 제어기와 통신하게 된다.
또한 도 12에는 웹을 이용한 중앙 로컬 제어방식의 실시 예를 보여 준다. 웹 서버(Web Server)(1201), 메인 서버(Main Server)(1202), 로컬 컴퓨터(1203), 컨트롤러(1204)를 포함하고 있으며, 이는 중앙 로컬 제어방식을 이용한 것으로써 관리자가 웹을 기반으로 웹 서버(1201)로부터 변경된 데이터를 메인 서버(1202)에 전송하여 실시간으로 맞추어서 제어한다. 통신방식과 제어방식은 중앙 로컬 제어방식과는 큰 차이가 없으나, 데이터를 실시간으로 관리자가 웹을 통하여 전송하고 데이터를 전송 받는 특징이 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 IAQ 제어 방법 및 네트워크 기반 IAQ 제어 시스템은 상기된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범주에 벗어남 없이 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
본 발명의 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 IAQ 제어 알고리즘은 각 환기 공간의 배기 덕트부에 설치되어 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도인 CO2 센서들과, 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염의 대표적 척도인 VOC 센서들을 통해 실시간으로 환산된 농도값들을 바탕으로 쾌적한 실내환경을 유지하도록 각 환기 공간별 요구되는 공기치환횟수(ACH) 혹은 외기급기량을 외기와 실내의 건구온도차 혹은 엔탈피 차에 따라 각각 다른 운전모드 (FAST/SLOW/ECONO 프로세스 등)로써 실시간 제어한다.
전열 혹은 현열교환기를 설치한 시스템을 DCV를 통해 제어하는 경우 단순한 전열교환기에 의한 약 20%의 에너지 절약에 비해 2배 혹은 3배 이상의 더욱 많은 에너지절약이 예상되며, 본 발명에 의한 외기와 실내의 건구온도차 혹은 엔탈피 차가 정해진 계절별 기준보다 클 때의 SLOW 및 ECONO 프로세스를 통한 실시간 제어의 적용은 동등환기량의 에너지 효율적인 운전을 통해 그 이상의 에너지 절약을 가능하게 한다.
또한, 외기와 실내의 건구온도차 혹은 엔탈피 차에 따라 작동하는 FAST/SLOW/ECONO 프로세스는 공기처리장치 만에 의한 바이패스 운전, 전열 혹은 현열 교환기의 환기 속도제어 운전, 그리고 혼합 환기 운전이 조합되어 에너지절약 모드로 동작하므로, 생체활동 관련 오염물 농도에 따라 외기 급기량을 냉난방 기능의 공기처리장치(Air-Handling Unit)를 통과시켜 온도와 습도를 조절 후 제어되는 공간으로 급기하는 수요변화 대응제어 (Demand control)방식보다 최소한의 외기량 도입에 의한 냉난방 에너지 저감과 전열 혹은 현열 교환기에서 회수되는 배기의 엔탈피량 그리고 저속 운전으로 인해 줄어든 팬 에너지 만큼의 운전소비전력 감소의 효과가 있다.
또한 본 발명의 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 IAQ 제어 알고리즘은, 국부적 혹은 평균적 오염농도의 범위에 따른 Vent 모드를 정의하며 각 Vent 모드 (예를 들면 High+Bypass, High, Mid, Low, Econo, PID 모드 등)에서는 각 구역 내의 실내 초기 오염농도 (Co)보다 낮은 Css를 갖는 동등 환기 유량(Qeff) 중 각 모드별 최소유량부터 시작하여 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2) 혹은 정해진 시간 동안 Ctarget (각 구역의 최소값)에 도달할 때까지 단계별로 혹은 연속적으로 풍량을 증가시키며, Ctarget 에 도달하게 하여 계단식 감소 방식에 따른 실내 오염농도 제어나 동등 환기유량의 On/OFF식 제어 방식에 비해 운전소비전력 감소의 효과가 있다.
본 발명은 실내에서의 활동이 다양하며 독립된 공간들로 구성된 건물 내부의 IAQ 제어를 위한 수요변화 대응제어 (Demand control) 방식으로 환기를 위해, 반영구적인 열교환기 혹은 환기시스템 제어방식과는 달리 M.P.U (Micro Process Unit)에 각 공간의 상황에 맞게 데이터를 업로딩하거나 모드를 지능적으로 선택할 수 있도록 하는 중앙제어나 중앙로컬제어를 이더넷 방식으로 수행하므로, 각 Zone에 대응하는 수요변환 대응 제어기 알고리즘 내의 계절별 실내외 전열/현열 온도차, Vent 모드에서의 농도 경계값, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합모드의 선택 들을 가장 지능적으로 제어하는 장점이 있다.
도 1은 기존의 냉난방 기능의 공기처리장치와 외기 급기 댐퍼가 일체형으로 작동하는 외기 혼합 공조기의 개략적인 구성을 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 열교환시스템의 일실시예 구성을 나타낸 도면
도 3은 동등 환기유량의 계단식 증가 방식에 따른 실내 오염농도 제어의 실시예를 나타낸 도면
도 4는 동등 환기유량의 계단식 감소 방식에 따른 실내 오염농도 제어의 예를 나타낸 도면
도 5는 동등 환기유량의 ON/OFF식 제어 방식에 따른 실내 오염농도 제어의 예를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 컨트롤러(Controller) 제어시스템도
도 7은 본 발명에 따른 자동 모드(Auto Mode) 제어수순의 실시예를 나타낸 플로우차트
도 8은 본 발명에 따른 취침 모드(Sleep Mode) 제어수순의 실시예를 나타낸 플로우차트
도 9는 본 발명에 따른 매뉴얼 모드(Manual Mode) 및 각 벤트 모드(Vent Mode)에서의 농도 제어방법의 실시예를 나타낸 도면
도 10은 본 발명에 따른 중앙 로컬 제어 방식 실시예를 나타낸 도면
도 11은 본 발명에 따른 중앙 제어 방식 실시예를 나타낸 도면
도 12는 본 발명에 따른 웹을 이용한 중앙 로컬 제어방식 실시예를 나타낸 도면

Claims (8)

  1. 냉난방 시스템과 연동되어 열교환 및 환기 처리 시스템을 통해 급.배기를 수행하며, 배기덕트부 또는 실내에 설치된 다수개의 CO2센서에 의해 검출된 이산화탄소 농도에 따라 실내공기오염을 판단하여 실내공기의 급/배기를 수행하는 열교환 및 환기방법에 있어서,
    외기와 실내의 건구 온도차나 엔탈피 차에 따라 바이패스(Bypass) 운전, 단수 제어운전, 혼합 환기운전, 절약기측 운전을 조합한 FAST/SLOW/ECONO 프로세스 또는 이들의 조합에 의해 공조운전 제어를 수행하는 공조운전 제어과정;
    상기 각 CO2센서들과 VOC센서를 통해 실시간으로 측정되는 농도값들에 따라 각 환기 공간별로 요구되는 유효 공기치환 횟수(ACH) 또는 동등(Equivalent) 외기 급기량을 실시간으로 제어하며,
    상기 각 환기 공간별 또는 평균적 오염농도의 범위에 따른 Vent 모드를 정의하며 각 Vent 모드에서는 각 구역 내의 실내 초기 오염농도 (Co)보다 낮은 Css를 갖는 동등 환기 유량(Qeff) 중 각 모드별로 정해진 최소유량부터 시작하여 각 농도차 반감 시간 (Δt1/2) 혹은 정해진 시간 동안 Ctarget (각 구역의 최소값)에 도달할 때까지 단계별로 혹은 연속적으로 풍량을 증가시켜 Ctarget 에 도달하게 한 후, 다시 하위모드운전들을 통해 상기 과정을 반복해 최종 목표 실내 오염농도를 Css이하를 유지하는 동시에, 각 Vent 모드에서의 시간 평균 동등환기량은 각 환기 공간별 요구되는 최소 외기급기량보다 크도록 제어하며,
    급속한 오염 농도의 증가, 출입문 및 창문 개도로 인한 실내 환경의 변화에 빠른 대응을 위해 운전모드의 순차적 운행과 관계없이 주기적으로 온도 혹은 엔탈피차에 따른 FAST/SLOW/ECONO 프로세스 및 농도에 따른 Vent 모드를 재선정하며,
    상기 농도에 따른 Vent 모드 운전 중 설정된 시간 동안 동일 모드 내의 운전이 지속되는 경우 현재 농도와 관계없이 한 단계 높은 Vent모드로 Ctarget에 도달하도록 하는 오염농도 기반 공조 제어과정;
    을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 실내 공기질 제어 방법.
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  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 오염농도 기반 공조 제어과정에 부가하여 실내 오염농도가 최종 목표 실내 오염농도를 도달한 후에는 Ctarget이 중간에 놓이는 두 운전모드의 속도 사이를 번갈아 반복하거나, 매 순간의 에러 신호의 크기, 에러신호의 미분치 및 주어진 시간동안의 에러신호의 적분 값의 산술적 조합의 PID 제어를 통해 Ctarget 농도를 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 실내 공기질 제어방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 Vent 모드는 하이+바이패스(High+Bypass), 하이(High), 미들(Mid), 로우(Low), 절약(Econo), PID 모드로 각각 정의됨을 특징으로 하는 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 실내 공기질 제어방법.
  6. 소정 공간을 독립적 혹은 중앙에서 냉난방하는 시스템과 연동되어 열교환을 수행하기 위한 열교환 장치와, 이와 연동되어 급배기 혹은 공기청정이나 바이패스 처리를 수행하는 환기장치와, 외기와 실내의 온도를 감지하는 온도센서와, 실내의 공기 질(IAQ)을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 척도인 CO2 농도값을 감지하는 CO2센서와, 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내 공기 오염의 척도인 VOC센서와, 열교환장치 및 환기장치를 제어하여 실내공기를 조절하는 컨트롤러와,상기 컨트롤러에 연결되어 시스템 동작 상태를 표시하는 디스플레이 유닛과, 상기 컨트롤러와 이더넷 통신을 기반으로 하여 제반 데이터의 업로드/다운로드를 수행하는 서버로 구성된 실내 공기질 제어시스템에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 CO2 센서 전용포트, 온도 센서 전용포트, 그리고 VOC센서용 포트로 구성되는 복수개의 입력단과, 급/배기와 바이패스 구동을 위한 복수개의 모터 회전속도를 제어하도록 하는 복수개의 디지털 출력단과, 자체 프로토콜을 가지고 RS232 양방향 통신이 가능하며 디스플레이 유닛에 연결되어 신호를 받는 포트와 PC와 연결하여 데이터 업로드/다운로드 및 소프트웨어로 구동되는 조작을 위한 포트로 구성되며 통신규약 (Protocol)으로는 동작중지/동작중지 해제/Auto Mode설정/Sleep Mode설정/Outdoor Mode설정/급배기 1단 설정/급배기 2단 설정/급배기 3단 설정/High Vent Mode 설정/Mid Vent Mode 설정/Low Vent Mode 설정/모든 Motor 정지 명령 등으로 구성되는 직접명령과 변수 데이터 업로드/변수 데이터 다운로드/Refresh 데이터 로딩/시간설정 명령을 포함한 전송명령을 수행하는 통신부로 구성되며,
    상기 서버는 건물 내부의 IAQ 제어를 위해, M.P.U (Micro Process Unit)에 각 공간의 상황에 맞게 데이터를 업로딩하거나 모드를 지능적으로 선택할 수 있도록 하는 중앙제어나 중앙로컬제어 혹은 웹(Web)을 이용한 중앙로컬제어를 이더넷 방식으로 수행하며, 메인 서버로부터 제어기(컨트롤러)의 가상 IP 혹은 로컬 컴퓨터의 IP와 데이터를 패킷 형태로 받게 되며, 그 패킷 데이터는 각 Zone에 대응하는 수요변환 대응 제어기 알고리즘 내의 계절별 실내외 전열/현열 온도차, Vent 모드에서의 농도 경계값, PID 제어기 최적 계수값 혹은 환기 시간 간격 및 해당 풍량 등의 조합모드의 선택 등으로 구성되며, 제어기의 센서부를 통해 받은 Zone별 정보의 실시간 피이드백(Feedback) 데이터들을 이용하여 지능적으로 제어하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 오염농도기반 에너지절약 모드 변환의 환기 시스템용 실내 공기질 제어 시스템.
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