KR100585238B1 - 수요 대응 능동환기를 통한 ｉａｑ 제어 시스템 - Google Patents

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KR100585238B1 KR1020040001123A KR20040001123A KR100585238B1 KR 100585238 B1 KR100585238 B1 KR 100585238B1 KR 1020040001123 A KR1020040001123 A KR 1020040001123A KR 20040001123 A KR20040001123 A KR 20040001123A KR 100585238 B1 KR100585238 B1 KR 100585238B1
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Abstract

본 발명은 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도로서 각 환기 공간의 배기 덕트부 혹은 실내에 각각 설치된 CO2 센서들을 통해 실시간으로 환산된 농도값들을 바탕으로 쾌적한 실내환경을 유지하도록 각 환기 공간별 요구되는 공기치환횟수(ACH) 혹은 외기급기량을 실시간으로 제어하는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템에 관한 것으로, 각 환기 공간별 CO2 센서들을 통해 실시간으로 환산된 농도값들을 이용하여 최근 재실 인원(N)과 최근 평균 급기량(Q)을 구하므로 유량측정장치의 설치를 최소화하며, 높은 국부적 오염농도가 검출되어 국부적 급속 환기가 요구될 때 실내 목표 CO2 농도 달성을 위해 외기 급기량 제어를 단계별로 수행, 에너지절약을 위한 운전이 되도록 하며, 각 공간별 요구 외기량을 공급하기 위한 각 급기 혹은 배기라인 댐퍼의 개방각도는 실시간 CO2 농도값들로부터 환산된 각 공간별 외기량 비가 목표 외기량들의 비와 같도록 댐퍼들의 개방각도를 제어한 후 실시간 전체 외기량의 합이 목표 전체 외기 급기량에 도달하도록 급기 혹은 배기홴의 회전수를 제어하여 전체 제어가 항상 강건하게 작동하는 효과가 있다.

Description

수요 대응 능동환기를 통한 ＩＡＱ 제어 시스템{DEMAND CONTROL VENTILATION SYSTEM}
도 1은 주어진 실내 거주인원에 대한 환기시, 시간에 따른 CO2 농도평형을 일예로 나타내는 그래프.
도 2는 급기와 배기가 동시에 이루어지도록 공동주택에 설치된 종래 기술의 환기 시스템을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 개선을 설명하기 위해 급배기시의 유동손실을 전기회로의 저항과 같이 모델링한 모식도.
도 4는 도 3에 예시된 두개의 공간에서 측정된 CO2 농도가 소정 기준 이하로 내려가는 농도변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 단계적 급기유량의 제어로 인한 농도변화 및 운전소비전력 감소를 일예로 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 제어 알고리즘을 나타내는 흐름도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레인지 후드를 통한 배기의 기능을 갖는 환기 시스템을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전열 또는 현열 교환기를 통한 배기의 기능을 갖는 환기 시스템을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 열교환기 20 : 홴
30 : 댐퍼 40 : CO2 검출기
50 : 압력 검출기 60 : 마이크로프로세서
70 : 제어부
본 발명은 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템에 관한 것으로, 빌딩 혹은 아파트의 고층화 및 고단열, 고기밀화에 따른 실내공기질(Indoor air quality; IAQ) 문제를 해결하기 위한 환기 시스템을 구성함에 있어, 센서 기반의 요구 대응 제어기(Demand control)와, 회전속도 제어 홴과, 유량조절댐퍼를 결합하여, 사람의 실내 활동과 연관된 공기오염물질 (Bioeffluents)을 가장 경제적 그리고 효과적으로 제거할 수 있게 되는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템에 관한 것이다.
실내공기 오염물질의 제거 수단으로는 오염 물질의 실내유입을 허용하지 않는 방법과 오염물질이 발생 혹은 유입된 후 제거하는 2가지 방법으로 크게 나누어진다. 또한, 전자는 오염 발생원을 제거 격리하는 방법과 발생원의 성질을 바꿔 무해하게 하는 방법의 2가지로 나눌 수 있으며, 후자는 공기청정기에 의해서 오염물질을 제거하는 방법과 환기에 의해 실외로 배출하는 2가지 방법으로 구분된다.
상술한 첫 번째 방법은 가장 적극적이지만 대상으로 하는 오염물질이 CO2, VOCs, 냄새 등인 경우 그 발생원이 인체 및 그 활동과 연관되어 있으므로 전혀 불가능한 대책이다. 또한 발생원의 성질을 물리적 수단에 의해 바꾸기 보다는 화학적 수단에 의존해야 하므로 화학반응에 의해 또 다른 오염물이 발생할 경우가 발생한다. 두 번째 중 공기청정기를 이용하는 방법은 앞의 방법보다 실용적이나, 오염물질이 단순한 부유분진 1종이 아닌 VOCs, 담배연기, 연소 배기가스, 냄새 등은 그 원인물질이 분명하지 않고 공기청정기의 유지관리가 불충분하면 오염물의 재발생을 무시할 수 없게 된다. 마지막으로 환기에 의한 실내공기 중의 오염제거는 가장 소극적이지만 VOCs, 담배연기, 연소 배기가스, 냄새와 같이 복잡한 특성의 오염물 제거법으로 가장 실용적인 방법이다.
실내공기 오염물질의 제거를 위한 환기의 경우, 최근 공동주택의 고기밀화 및 고단열화로 인해 틈새 바람양이 적어져 자연환기가 어려워짐에 따라 면적당 15kW/(hr*m2)기준 최소 환기횟수를 0.5회/hr로 설계하는 추세이다. ASHRAE규격에 따른 최소 외기 기준은 최대허용 공기오염농도를 정의한 후, IAQ(Indoor Air Quality)를 유지하기 위한 환기량으로 결정된다. 또한 IAQ를 결정하는 방법으로는 외기량 CFM, 급기중 외기량의 %, 일인당 외기량 CFM, 건물면적당 외기량, 환기시간당 Change 횟수(ACH)를 이용하여 결정할 수 있게 된다.
CO2농도 측정법을 실제로 적용하여 OA량을 결정하는 방법은 최소의 노력으로 가장 많은 정보를 제공한다. CO2 측정법은 건물 내의 사람 수와 환기시스템의 농도 희석 능력 및 축적된 CO2성분의 제거 능력에 의존한다. 그러므로 OA량을 결정하기 위한 CO2측정법은 공간에 일정한 수의 사람이 존재해야한다.
ASHRAE Standard 62-1989의 Appendix D에 의하면 각 사람당 0.3 liters의 CO2량 (0.0106 CFM of CO2)이 발생한다고 알려져 있다. 그러나 이러한 값은 개인에 따라 변화한다. 예를 들면 선실이나 객실 또는 상업빌딩사이에는 차이가 있다. 또한 일반 사무 작업보다 더 활동적인 빌딩은 신진대사가 올라가 CO2도 증가한다.
사람들이 장시간 빌딩에 거주하여 정상 상태를 만들 때 환기 상태에서 공간에 남겨진 CO2는 CO2 발생량과 같아진다. 이 관계를 이용하여 식을 도출하면 다음의 수학식1과 같은 농도 상태 방정식을 얻게 된다.
[수학식 1]
Figure 112004000658894-pat00001
이때, Cindoor는 시간 t일 때 내부의 CO2농도(parts per million), F는 CO2발생 량(ft3/hour/person), 106 상수는 ppm에 의한 vol/vol비 환산값, Veff 는 유효체적(ft3), I는 환기횟수(ACH-air change per hour), t는 시간(hour), Co 는 외부 CO2농도(ppm)이다.
상기 수학식1을 이용하여 일예로 Co=350 ppm, 1인당 Veff=8.1m3, ACH=3.4일 때 계산된 농도평형 예는 도 1에 도시되어 있다.
상기 수학식 1에서 정상상태가 되었다고 가정하면, 원하는 실내 농도를 유지하기 위해 필요한 일인당 외기량인 CFM은 다음의 수학식 2로부터 간단하게 계산할 수가 있게 된다.
[수학식 2]
Figure 112004000658894-pat00002
즉, 실내 농도가 기준 농도(예를 들면, 1,000 ppm)에 도달하도록 일인당 외기량 CFM을 상기 수학식2를 이용하여 구한 후, 모션 검출(Movement detection) 센서를 이용하여 재실 인원을 파악하고, 전체 필요한 외기량을 결정하여 환기 홴의 송풍량 혹은 급기 댐퍼를 제어하는 방식의 수요변화 대응제어(Demand control)는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 현재 실내 농도를 신속하게 제어하지 못하는 제 1의 문제점이 있다.
또한 실내 CO2 농도를 매 순간 CO2 센서를 이용하여 측정한 후, 정해 놓은 실 내 CO2 농도에 따라 요구되는 환기 홴의 회전수 관계를 이용하여, 주파수 제어 등을 통한 수요변화 대응제어(Demand control)를 하는 방식은 실시간으로 실내 농도를 측정하므로 능동적이고, 실내 농도와 환기량 및 홴 회전수가 일대일로 대응되므로 제어가 매우 편리한 반면 모든 시스템마다 상기의 관계를 도출해야 하며 농도감쇄가 에너지 효율적으로 일어나지 않는 제 2 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도로서 각 환기 공간의 배기 덕트부에 각각 설치된 CO2 센서들을 통해 실시간으로 환산된 농도값들을 바탕으로 쾌적한 실내환경을 유지하도록 각 환기 공간별 요구되는 공기치환횟수(ACH) 혹은 외기급기량을 실시간으로 제어하여 쾌적한 실내환경을 유지하도록 하고 각 환기 공간별 유량측정장치의 설치를 최소화하는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 고기밀 빌딩 혹은 공동주택의 공간 내에 문제가 되는 오염된 공기를 신속하게 환기하여 쾌적성을 확보하기 위해 각 실내 공간마다 설치된 CO2센서를 통해 얻은 실시간 데이터를 이용해 각 지역(Zone)마다 현재 오염농도에 일대일로 대응하여 급기량 제어를 적어도 둘 이상의 단계별로 수행함으로써 운전소비전력의 감소를 이룰 수 있는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템은 동시 급배기, 또는 강제 급기 및 자연틈새 배기, 또는 강제 배기 및 자연틈새 급기를 위한 IAQ 제어 시스템에 있어서, 급기 및 배기 덕트에 연결되는 열교환기에 접속되며, 급기 및 배기 동작을 위해 회전수가 가변 가능한 급기홴 및 배기홴(20); 상기 급기홴 및 배기홴의 출구 또는 입구에 설치되며, 각 환기공간별 급기 및 배기 동작을 위해 개방각도가 가변 가능한 자동 댐퍼(30); 상기 각 환기공간에 대한 공기 질을 측정하기 위해 각 환기공간의 배기 덕트 또는 각 환기공간 내에 설치되어 현재 공기의 CO2 농도를 측정하는 CO2 검출기(40); 상기 급기홴 또는 배기홴에 설치된 정면적 오리피스의 차압을 통해 실시간 유량을 측정하는 압력 검출기(50); 소정 시간(T0) 동안 상기 CO2 검출기로부터의 측정 신호를 수신하고 해당 환기공간별 실시간 농도 데이터를 통해 각 환기공간별 최근 재실인원(N) 및 최근 평균 급기량(Qi old)을 실시간으로 산정하는 마이크로프로세서(60); 및 상기 마이크로프로세서로부터 산정된 각 환기공간별 최근 재실인원(N) 데이터를 수신하고 해당 최근 재실인원(N)을 기초로 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS) 및 목표 실내농도 도달시간(TS)을 만족하도록 필요한 외기량(Qi new)을 산정하며 이를 바탕으로 요구되는 전체 급기 또는 배기량(Qo new)을 산정하고 국부적으로 급기 또는 배기되도록 되먹임 제어를 통해 상기 급기홴 및 배 기홴의 회전속도 및 자동댐퍼의 개방각도를 제어하는 제어부(70); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부(70)는, 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS) 및 목표 실내농도 도달시간(TS)을 만족하도록 실시간으로 구한 각 환기공간별 시간당 공기치환횟수 (ACH)와 목표농도 달성시간(TS)의 곱이 2.0보다 큰 경우, 목표 제어 CO2 농도를 적어도 둘 이상의 단계로 각각 나누고 수정된 각각의 단계별로 급기유량을 제어하는 기능; 및 각 공간별 요구 외기량을 공급하기 위한 각 급기 혹은 배기 라인 댐퍼의 개방각도를 각 공간별 목표유량인 Qi new로 제어되도록 되먹임제어를 하는 경우, 각 급기라인 또는 틈새 급기의 실시간 외기 급기량 비가 목표 외기 급기량들의 비와 동일하도록 상기 댐퍼들의 개방각도를 제어한 후 실시간 전체 외기량의 합(Qo *)이 목표 전체 외기량(Qo new)에 도달하도록 급기 혹은 배기홴의 회전수를 제어하는 기능;을 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템은, 동시 급배기를 위한 환기 시스템에 있어서, 급기 및 배기 덕트에 연결되는 전열 또는 현열 열교환기(10) 내에 설치되며, 전체공간에 대한 급기 및 배기 동작을 위해 회전수가 가변 가능한 급기홴 및 배기홴(20); 상기 전체공간에 대한 공기 질을 측정하기 위해 열교환기의 배기 덕트 또는 열교환기 내부에 설치되어 현재 전 체 공기의 CO2 농도를 측정하는 CO2 검출기(40); 상기 급기홴에 설치된 정면적 오리피스의 차압을 통해 전체 실시간 배기 유량을 측정하는 압력 검출기(50); 소정 시간(T0) 동안 상기 CO2 검출기로부터의 측정 신호를 수신하고 해당 전체 환기공간의 실시간 농도 데이터를 통해 전체 환기공간내의 최근 재실인원(N)을 실시간으로 산정하는 마이크로프로세서(60); 및 상기 마이크로프로세서로부터 산정된 각 환기공간별 최근 재실인원(N) 데이터를 수신하고 해당 최근 재실인원(N)을 기초로 오염물의 농도가 목표 실내농도 도달시간(TS) 이내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS)의 이하를 만족하도록 필요한 급기량(Qnew)을 산정하며 이를 바탕으로 급기홴에 의한 급기량이 소정치(Qnew)가 되도록 되먹임 제어를 통해 상기 급기홴의 회전속도를 제어하는 제어부(70); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 또다른 측면에 따른 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템은, 포집갓과 직선도관을 구비하고 댐퍼가 설치되는 레인지 후드 배기를 위한 환기 시스템에 있어서, 출구가 실외 또는 공동 에어 덕트에 연결되는 배기 덕트; 상기 배기 덕트 또는 포집갓 내 또는 후드 도관에 설치되며, 취사공간에 대한 배기 동작을 위해 회전수가 가변 가능한 배기홴(20); 상기 취사공간에 대한 공기 질을 측정하기 위해 상기 후드의 배기 덕트 또는 후드 내 또는 후드설치 실내공간에 설치되어 가스연소를 포함하는 활동과 관련된 현재 오염 공기의 CO2 농도를 측정 하는 CO2 검출기(40); 상기 배기홴에 설치된 정면적 오리피스의 차압을 통해 실시간 배기 유량을 측정하는 압력 검출기(50); 소정 시간 동안 상기 CO2 검출기로부터의 측정 신호를 수신하고 해당 취사공간의 실시간 농도 데이터를 통해 취사공간내의 가상 재실인원(N)을 실시간으로 산정하는 마이크로프로세서(60); 및 상기 마이크로프로세서로부터 산정된 취사공간의 가상 재실인원(N) 데이터를 수신하고 해당 가상 재실인원(N)을 기초로 오염물의 농도가 목표 실내농도 도달시간(TS) 이내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS)의 이하를 만족하도록 필요한 배기량(Qnew)을 산정하며 이를 바탕으로 배기홴에 의한 배기량이 소정치(Qnew)가 되도록 해당 취사공간의 배기를 위해 되먹임 제어를 통해 상기 배기홴의 회전속도를 제어하는 제어부(70); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부(70)는, 전체 환기 공간 내에서 발생한 오염물의 전체 평균 농도 혹은 취사, 가스연소를 포함한 활동과 관련하여 발생한 오염물의 농도가 목표 실내농도 도달시간(TS) 내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS) 이하를 만족하도록 목표 제어 CO2 농도를 적어도 둘 이상의 단계로 각각 나누고 수정된 각각의 단계별로 급기유량을 제어하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 실시간 배기 유량의 측정을 압력 검출기(50)의 설치 없 이, 상기 제어부(70)가 실내 CO2 농도(C(ti))의 변화량과 현재 측정 실내 CO2농도(Ci)의 차의 제곱합이 최소가 되도록 하여 직접 산정하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
이하에서 본 발명은 급배기용 현열교환 및 가습의 기능을 갖는 환기시스템을 통해 동시 급배기, 또는 강제 급기 및 자연 틈새 배기, 또는 강제 배기 및 자연 틈새 급기를 수행하며, 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도로서 각 환기 공간의 배기 덕트부 혹은 실내에 각각 설치되는 CO2 센서들을 통해 실시간으로 환산되는 농도값들을 바탕으로 하여 쾌적한 실내환경을 유지하도록 각 환기 공간별 요구되는 공기치환횟수(ACH) 또는 외기급기량을 실시간으로 제어하는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템을 바람직한 실시예로 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 주어진 실내 거주인원에 대한 환기시, 시간에 따른 CO2 농도평형을 일예로 나타내는 그래프이고, 도 2는 급기와 배기가 동시에 이루어지도록 공동주택에 설치된 종래 기술의 환기 시스템을 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 에너지 개선을 설명하기 위해 급배기시의 유동손실을 전기회로의 저항과 같이 모델링한 모식도이고, 도 4는 도 3에 예시된 두개의 공간에서 측정된 CO2 농도가 소정 기준 이하로 내려가는 농도변화를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 단계적 급기유량의 제어로 인한 농도변화 및 운전소비전력 감소를 일예로 나타내는 그래프이다.
우선, 본 발명은 사무실용 또는 주거용 환기 시스템에서 재실 인원만을 반영하여 요구되는 환기량을 결정하는 경우 발생하는 상기 제 1문제를 극복하기 위해, 각 환기 공간의 배기 덕트부에 각각 CO2 검출기가 설치되고 센서내장(마이크로프로세서) 또는 외부와 통신으로 연결된 MCU을 통해 현재 급기된 외기량에 따른 실시간 농도데이터를 이용하여 최소자승법을 통해 최근 재실 인원을 구하게 된다.
즉, 외부 CO2 농도, 현재 실내 CO2 농도, 예상 재실인원, 급기량, 지정된 공간의 유효 부피을 각각 Co, C*, N, Q, Veff라 할 때, 농도 평형 방정식으로부터 시간에 따른 실내 농도의 변화는 다음의 수학식 3과 같이 표시된다.
[수학식 3]
Figure 112004000658894-pat00003
여기에서, 최근 주어진 시간(To) 동안 동일한 재실 인원과 급기량이 주어졌다고 가정하면, 다음의 수학식 4와 같은 오차의 제곱합을 구할 수가 있다.
[수학식 4]
Figure 112004000658894-pat00004
여기에서, Ci는 ti(=T0/n*i)에서 측정된 실내 농도이며, C(ti)는 상기 수학식3을 이용하여 구한 값이다. 따라서 두 개의 방정식(
Figure 112004000658894-pat00005
)을 이용하여 최근 재실 인원(N)과 최근 평균 급기량(Q)을 구하게 되며, 이러한 계산은 마이크로프로세서를 통해 실시간으로 이루어지게 된다.
한편, 도 2는 급기와 배기가 동시에 이루어지도록 공동주택에 설치된 환기시스템의 평면도의 예를 보여주고 있다. 이러한 복잡한 덕트를 통해 요구 급기량을 공급시 필요한 환기용 부스터 홴 혹은 전열/현열 교환기 홴에 의한 동력소비를 기존 시스템과 본 발명과 비교하기 위해 도 3에 나타난 바와 같이 급배기시의 유동손실을 전기회로의 저항과 같이 모델링한다. 도 3에 예시된 바와 같이 현재 두개의 공간에서 측정된 CO2 농도가 각각 1,500 및 1,200 ppm 인 경우, 두 공간의 CO2 농도가 1시간 내에 800 ppm 이하로 내려가도록 요구되는 외기량을 상기 수학식3을 이용하여 구하면 각각 47.5, 44.7 m3/hr를 얻게 된다.
여기에서, 상술한 N은 최근 To시간동안의 농도변화를 이용하여 구한 재실인원이며, t=1.0 hr에서 C가 800 ppm이 되도록 외기량 Q를 구한 결과이다.
상술한 값들을 이용하여 농도변화를 나타낸 환기 실시예가 도 4에 예시되어 있다.
이와같이 본 발명은 환기용 부스터 홴 혹은 전열/현열 교환기 홴의 유량을 차압센서를 이용하여 측정하거나, 회전수별로 적용 배관시스템 유량에 대한 데이터베이스를 이용하여 환산하지 않고 실시간으로 공간마다 급기되는 유량과 재실인원을 실시간 CO2 농도의 측정을 통해 연속적으로 구하여 원하는 시간 내에 CO2 농도가 설정값 이하로 내려가 인체활동과 연관된 오염물이 신속하게 제거하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 상기 제 2문제점을 해결하기 위하여 도 3에 도시된 시스템과 같이 환기용 부스터 홴 혹은 전열/현열 교환기 홴의 회전수와 각 댐퍼 개도의 제어를 통해 에너지 관점에서 급기량의 최적 공급이 이루어지도록 한다.
즉, 도 5에 나타난 바와 같이 주어진 시간 Ts 내에 실내 공간 평균 농도를 현재 C1에서 C2로 제어할 경우, 상기 수학식3을 이용하여 구한 일정한 유량 Q로 급기하는 것보다는 이를 두 단계로 나누어, 우선 제 1단계에서는 Ts/2 시간 내에 실내 공간 평균 농도를 현재 C1에서 C1과 C2 의 기하학적 평균(
Figure 112004000658894-pat00006
)까지 감쇄하는 데 필요한 유량 Q1을 공급하며, 다음으로 제 2단계에서는 나머지 Ts/2 시간 내에 평균농도가 C1과 C2 의 기하학적 평균(
Figure 112004000658894-pat00007
)에서 목표 평균농도인 C2까지 감쇄하도록 필요한 유량 Q2를 공급한다.
이러한 방식으로 계속적으로 시간 구간을 절반씩 나누며 그 때의 목표 평균 농도를 농도 구간의 기하학적 평균으로 하면 환기용 부스터 홴 또는 전열/현열 교환기 홴의 소비동력을 줄이는 효과가 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 현재 측정농도가 1,500 ppm인 실내공간에 대해서 CO2 농도를 1시간 내에 800 ppm으로 제어하려면 상기 수학식3에 의거하여 47.5 m3/hr의 외기량이 요구되며, 이를 본 발명과 같이 제어하는 경우, 1,500 ppm에서 1,500 ppm과 800 ppm의 기하평균인 964 ppm까지 0.5시간에 걸쳐 필요한 급기량 Q1으로 37.3 m3/hr이 요구되며, 964 ppm에서 800 ppm까지 0.5시간에 걸쳐 Q2로 52.6 m3/hr이 정해진다.
또한, 환기용 부스터 홴 혹은 전열/현열 교환기 홴의 소비동력은 유량의 삼승에 비례하며, 비례상수는 덕트 배관 및 댐퍼 등에 의한 전체 손실계수에 의해 결정되므로 동일하다고 가정하면, 두가지 운전모드에 의한 시간 적분된 소비전력의 비의 계산은
Figure 112004000658894-pat00008
로 약 10% 가량의 운전 소비전력이 감소하게 된다. 이러한 단계적 급기유량의 제어로 인한 운전소비전력의 감소는 시간당 공기치환횟수 (ACH)와 목표농도 달성시간(Ts)의 곱인 ACH*Ts가 2.0보다 클 때 뚜렷하게 나타난다.
도 6 내지 도9를 참조하여 본 발명의 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템에 대하여 좀더 상세하게 설명하면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 제어 알고리즘을 나타내는 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레인지 후드를 통한 배기의 기능을 갖는 환기 시스템을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전열 또는 현열 교환기를 통한 배기의 기능을 갖는 환기 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6에 나타난 바와 같이 본 발명이 적용된 환기 시스템은 환기 모드시에는 출구가 실외에 노출되어 있는 배기 덕트, 상기 급배기 덕트에 접속되어 있고 제어부의 제어를 받는 열교환기(10), 상기 열교환기(10)에 접속되어 있고 상기 제어부(70)에 제어를 받아 회전수가 가변 가능한 급기용 홴 및 배기용 홴(20)이 작동한다. 이 시스템에는 각 구분된 공간에 설치되어 급기용 도관을 경유하여 상기 급기용 홴(20)의 출구에 접속되어 있는 복수개의 디퓨져, 각 구분된 공간에 또한 설치되어 배기용 도관을 경유하여 상기 배기용 홴(20)의 입구에 접속되어 있는 복수개의 컬렉터(흡입부), 상기 디퓨져들에 접속되어 있는 급기용 도관 내에 혹은 상기 디퓨져 부근에 구비되어 있고 제어부(70)에 제어를 받아 개방각도가 가변 가능한 복수개의 자동댐퍼(30), 마이크로프로세서(60)에 접속되며 각 환기 공간의 배기 덕트부에 각각 설치된 CO2 검출기(40), 그리고 급기홴(20)의 실시간 유량을 정확하게 검출하기 위해 급기홴(20)의 입구 측 혹은 출구 측에 설치된 정면적 오리피스를 통해 차압을 검출하여 제어부(70)에 접속되어 측정 신호를 보내는 압력 검출기(50) 를 포함한다.
여기에서, 최근 주어진 시간(To) 동안 각 환기 공간의 배기 덕트부에 각각 설치된 CO2 검출기(40)를 통해 측정된 신호들은 각 환기 공간에 동일한 재실 인원과 급기량이 주어졌다고 가정하여 각 공간별로 실시간 환산된 농도값들과, 상기 수학식 3에 의한 값들의 차의 제곱합이 최소가 되도록 각 공간별, 최근 재실 인원(N)과 최근 평균 급기량(Q)을 구하는데 사용되는데, 이러한 계산은 일차적으로 마이크로프로세서(60)를 통해 실시간으로 이루어지게 된다.
또한, 상기 제어부(70)는 국부적인 급기시, 상기 급기용 홴(20)의 회전속도를 조절함에 있어, 도 7에 나타난 순서도와 같이 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(Cs), 목표 실내농도 도달시간(Ts)을 만족하도록 앞서 구한 환기공간별 재실인원을 기초로 필요한 외기량(Qi new)을 산정하며, 이를 바탕으로 전체 급기량 (Qo new)를 정한 후, 실시간으로 측정된 오리피스 차압과 다음의 수학식 5에 나타난 RPM 관계식을 이용하여 급기홴(20)에 의한 외기량이 Qo new가 되도록 되먹임제어를 한다.
[수학식 5]
Figure 112004000658894-pat00009
그런데, 앞서 설명한 바와 같이 단계적 급기유량의 제어로 인한 운전소비전력의 감소는 시간당 공기치환횟수(ACH)와 목표농도 달성시간(Ts)의 곱인 ACH(= Qi new/Vi)*Ts가 2.0보다 클 때 뚜렷하게 나타나므로, 이 경우에는 도 5에 나타난 바와 같이 되도록 일차목표 농도(
Figure 112004000658894-pat00010
)를 수정하며, 이차목표 농도는 Cs가 되도록 공간별로 필요시 단계별 급기유량제어를 수행한다. 필요에 따라서는 그 이상의 단계로 구분한 각 공간별 급기유량제어가 가능함은 물론이다.
또한, 상기 제어부(70)는 국부적인 급기시, 각 급기라인의 댐퍼(30) 개방각도를 조절함에 있어, 각 환기 공간의 배기 덕트부에 각각 설치된 CO2 검출기(40)를 통해 측정된 신호들이 실시간으로 환산된 농도값들과 상기 수학식 3에 의한 값들의 차의 제곱합 (
Figure 112004000658894-pat00011
)이 최소가 되도록 각 공간별, 최근 평균 급기량(Qi old)을 구하며 그 합이 목표 전체 급기량(Qo old)과 같도록 스케일링(scaling)한 후, 다음의 수학식 5에 나타난 급기량 관계식의 관계를 이용하여 각 공간별 목표유량인 Qi new가 제어되도록 되먹임제어를 한다.
[수학식 6]
Figure 112004000658894-pat00012
이때, 각 급기 댐퍼(30)의 개방각도의 조절 및 외부 및 실내환경의 변경에 의해 전체 급기량(Qo)의 변동이 발생하면, 다시 실시간으로 측정된 오리피스 차압과 상기 수학식 5의 RPM 관계식(
Figure 112004000658894-pat00013
) 관계식을 이용하여 급기홴(20)에 의한 외기량이 Qo new가 되도록 다시 되먹임제어를 하며, 각 급기라인의 댐퍼(30)의 개방각도 제어가 반복적으로 수행된다. 이러한 본 발명의 바람직한 실시예는 도 6의 제어 시스템 구성과 도 7의 제어 알고리즘에 상세하게 설명된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레인지 후드를 통한 배기의 기능을 갖는 환기 시스템을 나타낸다.
즉, 포집갓과 직선도관을 구비하고 댐퍼(30)가 설치되는 레인지 후드를 통한 배기의 기능을 갖는 환기 시스템에 있어서, 출구가 실외 혹은 공동 에어 덕트에 연결되어 있는 배기 덕트, 포집갓 내 혹은 후드 도관 내 혹은 배기 덕트부에 설치되어 제어부의 제어를 받아 회전수가 가변 가능한 배기용 홴(20), 마이크로프로세서(60)에 접속되며 후드 배기 덕트부 혹은 후드 내, 그리고 후드 근처 실내 공간에 설치된 CO2 검출기(40), 그리고 배기홴(20)의 실시간 유량을 정확하게 검출하기 위해 배기홴(20)의 입구측 또는 출구측에 설치된 정면적 오리피스를 통해 차압을 검출하며 제어부(70)에 접속되어 측정 신호를 보내는 압력 검출기(50), 최근 주어진 시간 (To) 동안 배기 덕트부 혹은 후드 내에 설치된 CO2 검출기(40)를 통해 측정된 신호들을 이용하여 취사를 포함한 활동과 관련된 최근 가상(Pseudo)의 재실 인원(N)을 구하는 마이크로프로세서(60), 후드 배기시 홴(20) 의 회전속도를 조절함에 있어 취사, 가스연소를 포함한 활동과 관련하여 발생한 오염물의 농도가 목표 실내농도 도달시간(Ts) 내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(Cs) 이하를 만족하도록 앞서 구한 가상 재실인원을 기초로 필요한 배기량 (Qnew)를 정한 후, 실시간으로 측정된 오리피스 차압과 상기 수학식 5의 RPM 관계식(
Figure 112004000658894-pat00014
)을 이용하여 홴(20)에 의한 배기량이 Qnew가 되도록 되먹임제어를 수행하는 IAQ 제어 시스템을 보여 준다.
그러나 앞서 설명한 바와 같이 배기홴(20)의 실시간 유량을 검출하기 위해 배기홴(20)의 입구측 또는 출구측에 설치된 정면적 오리피스를 통해 차압을 검출하여 제어부(70)에 접속되어 측정 신호를 보내는 압력 검출기(50)의 설치없이, 상기 수학식 3 및 이로 인한 차의 제곱합(
Figure 112004000658894-pat00015
)으로부터,
Figure 112004000658894-pat00016
을 이용하여 실시간 배기량(Q*)을 구할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전열 또는 현열 교환기를 통한 배기의 기능을 갖는 환기 시스템을 나타낸다.
즉, 입구 및 출구가 실외에 각각 노출되어 있는 급기 및 배기 덕트, 상기 급배기 덕트에 접속되어 있고 제어부(70)의 제어를 받는 전열 또는 현열 교환의 열교환기(10), 상기 열교환기 장치 내에 설치되어 있고 상기 제어부(70)에 제어를 받아 회전수가 가변 가능한 급기용 홴 및 배기용 홴(20), 마이크로프로세서(60)에 접속 되며 열교환기(10)의 배기 덕트부 혹은 열교환기(10) 내, 그리고 실외에 설치된 오염공기 및 신선 급기 농도 측정용 CO2 검출기(40), 그리고 급기 홴(20)의 실시간 유량을 정확하게 검출하기 위해 급기 홴(20)의 입구 측 혹은 출구 측에 설치된 정면적 오리피스를 통해 차압을 검출하여 제어부(70)에 접속되어 측정 신호를 보내는 압력검출기(50), 최근 주어진 시간 (To) 동안 배기 덕트부 혹은 열교환기(10) 내에 설치된 CO2 검출기(40)를 통해 측정된 신호들을 이용하여 전체 환기 공간내의 재실 인원(N)을 구하는 마이크로프로세서, 열교환기(10) 내 급기 홴(20)의 회전속도를 조절함에 있어 발생한 오염물의 전체 평균 농도가 목표 실내농도 도달시간 (Ts) 내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도 (Cs) 이하를 만족하도록 앞서 구한 전체 환기 공간 추정 재실인원을 기초로 필요한 급기량(Qnew)을 정한 후, 실시간으로 측정된 오리피스 차압과 상기 수학식 5의 RPM 관계식(
Figure 112004000658894-pat00017
)을 이용하여 급기홴(20)에 의한 급기량이 Qnew가 되도록 되먹임제어를 수행하는 IAQ 제어 시스템을 보여 준다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이 배기 홴(20)의 실시간 유량을 검출하기 위해 배기 홴(20)의 입구측 또는 출구측에 설치된 정면적 오리피스를 통해 차압을 검출하여 제어부(70)에 접속되어 측정 신호를 보내는 압력 검출기(50)의 설치없이, 상기 수학식 3 및 이로 인한 차의 제곱합(
Figure 112004000658894-pat00018
)으로부터,
Figure 112004000658894-pat00019
을 이용하여 실시간 배기량(Q*)을 구할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 열교환기(10)는 첫째, IAQ의 유지 및 ASHRAE 규격에 의한 인당 CFM 확보와 동시에, 정해진 홴 회전속도의 변환에 의한 수동제어로 인한 과도 환기량의 제거로 연간 약 $ 0.5~$ 1.5/m2 의 에너지 절약(고정 환기에 비해 5%~80% 에너지 절약)과 둘째로는 누기 혹은 창문 등의 개방으로 인한 영향 대응의 신속한 환기량 수정이 가능하며, 셋째로는 차압을 검출하여 유량을 제어할 필요가 없게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사사을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 나타난 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템은 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도로서 각 환기 공간의 배기 덕트부에 각각 설치된 CO2 센서들을 통해 실시간으로 환산된 농도값들을 바탕으로 쾌적한 실내환경을 유지하도록 각 환기 공간별 요구되는 공기치환횟수(ACH) 혹은 외기급기량을 실시간으로 제어한다. 국부적으로 오염된 공간에 요구되는 급기량을 공급하기 위해서는 각 급기라인에 오리피스 장치와 차압센서 혹은 기타 유량계를 통한 유량측정이 실시간으로 이루어지거나 각 급 기라인 압력손실의 데이터베이스 화를 통한 유량 평가가 요구되나, 본 발명에서는 각 환기 공간별 CO2 센서들을 통해 실시간으로 환산된 농도값들을 이용하여 최근 재실 인원(N) 과 최근 평균 급기량(Q)을 구하므로 유량측정장치의 설치를 최소화하는 효과가 있다.
또한, 높은 국부적 오염농도가 검출되어 국부적 급속 환기가 요구될 때는 시간당 공기치환횟수(ACH)와 목표농도 달성시간(Ts)의 곱인 ACH(= Qi new/V i)*Ts가 2.0보다 크므로, 제어 CO2 농도를 일차 목표 농도(
Figure 112004000658894-pat00020
)를 수정하며 이차목표 농도는 제어 농도 Cs가 되도록 하는 단계별 급기유량제어를 수행하며, 필요에 따라서는 그 이상의 단계로 구분한 각 공간별 급기유량제어를 통해 운전소비전력을 감소시킬 수 있는 효과도 있다.
또한, 각 공간별 오염정도에 따른 요구 유량은 주어진 목표 실내농도(Cs), 목표 실내농도 도달시간(Ts)에 대해 현재 오염농도와 일대일로 대응하며, 각 공간별 요구 외기량을 공급하기 위한 각 급기라인 댐퍼의 개방각도는, 급기량 관계(
Figure 112004000658894-pat00021
)를 이용하여 각 공간별 목표유량인 Qo new가 제어되도록 되먹임제어를 할 때, 각 급기라인의 실시간 급기 유량비가 목표 급기량 들의 비와 같도록 댐퍼들의 개방각도를 제어한 후 실시간 전체 외기량의 합(Qo *)이 목 표 전체 급기량(Qo new)에 도달하도록 급기홴의 회전수를 제어하므로, 급기라인 댐퍼의 개방각도도 현재 오염농도에 일대일로 대응하여 전체 제어가 항상 강건하게 작동하는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 급기 및 배기 덕트에 연결되는 열교환기에 접속되며, 급기 및 배기 동작을 위해 회전수가 가변 가능한 급기홴 및 배기홴(20)와, 상기 급기홴 및 배기홴의 출구 또는 입구에 설치되며, 각 환기공간별 급기 및 배기 동작을 위해 개방각도가 가변 가능한 자동 댐퍼(30)와, 상기 각 환기공간에 대한 공기 질을 측정하기 위해 각 환기공간의 배기 덕트 또는 각 환기공간 내에 설치되어 현재 공기의 CO2 농도를 측정하는 CO2 검출기(40)와, 상기 급기홴 또는 배기홴에 설치된 정면적 오리피스의 차압을 통해 실시간 유량을 측정하는 압력 검출기(50)를 포함하여 구성되어 동시 급배기, 또는 강제 급기 및 자연틈새 배기, 또는 강제 배기 및 자연틈새 급기를 수행하는 IAQ 제어 시스템에 있어서,
    소정 시간(T0) 동안 상기 CO2 검출기로부터의 측정 신호를 수신하고 해당 환기공간별 실시간 농도 데이터를 통해 각 환기공간별 최근 재실인원(N) 및 최근 평균 급기량(Qi old)을 실시간으로 산정하는 마이크로프로세서(60); 및
    상기 마이크로프로세서로부터 산정된 각 환기공간별 최근 재실인원(N) 데이터를 수신하고 해당 최근 재실인원(N)을 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS) 및 목표 실내농도 도달시간(TS)을 만족하도록 실시간으로 구한 각 환기공간별 시간당 공기치환횟수 (ACH)와 목표농도 달성시간(TS)의 곱이 2.0보다 큰 경우, 목표 제어 CO2 농도를 적어도 둘 이상의 단계로 각각 나누고 수정된 각각의 단계별로 급기유량을 제어하는 기능; 및 각 공간별 요구 외기량을 공급하기 위한 각 급기 혹은 배기 라인 댐퍼의 개방각도를 각 공간별 목표유량인 Qi new로 제어되도록 되먹임제어를 하는 경우, 각 급기라인 또는 틈새 급기의 실시간 외기 급기량 비가 목표 외기 급기량들의 비와 동일하도록 상기 댐퍼들의 개방각도를 제어한 후 실시간 전체 외기량의 합(Qo *)이 목표 전체 외기량(Qo new)에 도달하도록 급기 혹은 배기홴의 회전수를 제어하는 기능;을 수행하는 제어부(70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 급기 및 배기 덕트에 연결되는 전열 또는 현열 열교환기(10) 내에 설치되며, 전체공간에 대한 급기 및 배기 동작을 위해 회전수가 가변 가능한 급기홴 및 배기홴(20)과, 상기 전체공간에 대한 공기 질을 측정하기 위해 열교환기의 배기 덕트 또는 열교환기 내부에 설치되어 현재 전체 공기의 CO2 농도를 측정하는 CO2 검출기(40)과, 상기 급기홴에 설치된 정면적 오리피스의 차압을 통해 전체 실시간 배기 유량을 측정하는 압력 검출기(50);에서 입력된 데이터를 이용해 동시 급배기를 수행하는 환기시스템에 있어서,
    소정 시간(T0) 동안 상기 CO2 검출기로부터의 측정 신호를 수신하고 해당 전체 환기공간의 실시간 농도 데이터를 통해 전체 환기공간내의 최근 재실인원(N)을 실시간으로 산정하는 마이크로프로세서(60); 및
    상기 마이크로프로세서로부터 산정된 각 환기공간별 최근 재실인원(N) 데이터를 수신하고 해당 최근 재실인원(N)을 기초로 오염물의 농도가 목표 실내농도 도달시간(TS) 이내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS)의 이하를 만족하도록 필요한 급기량(Qnew)을 산정하며 이를 바탕으로 급기홴에 의한 급기량이 소정치(Qnew)가 되도록 되먹임 제어를 통해 상기 급기홴의 회전속도를 제어하는 제어부(70);를 포함하여 구성하되,
    상기 제어부(70)는 전체 환기 공간 내에서 발생한 오염물의 전체 평균 농도 혹은 취사, 가스연소를 포함한 활동과 관련하여 발생한 오염물의 농도가 목표 실내농도 도달시간(TS) 내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS) 이하를 만족하도록 목표 제어 CO2 농도를 적어도 둘 이상의 단계로 각각 나누고 수정된 각각의 단계별로 급기유량을 제어하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템.
  4. 포집갓과 직선도관을 구비하고 댐퍼가 설치되는 레인지 후드와, 출구가 실외 또는 공동 에어 덕트에 연결되는 배기 덕트와, 상기 배기 덕트 또는 포집갓 내 또는 후드 도관에 설치되며, 취사공간에 대한 배기 동작을 위해 회전수가 가변 가능한 배기홴(20)와, 상기 취사공간에 대한 공기 질을 측정하기 위해 상기 후드의 배기 덕트 또는 후드 내 또는 후드설치 실내공간에 설치되어 가스연소를 포함하는 활동과 관련된 현재 오염 공기의 CO2 농도를 측정하는 CO2 검출기(40)와, 상기 배기홴에 설치된 정면적 오리피스의 차압을 통해 실시간 배기 유량을 측정하는 압력 검출기(50)로 구성되어 레인지 후드 배기를 위한 환기 시스템에 있어서,
    소정 시간 동안 상기 CO2 검출기로부터의 측정 신호를 수신하고 해당 취사공간의 실시간 농도 데이터를 통해 취사공간내의 가상 재실인원(N)을 실시간으로 산정하는 마이크로프로세서(60); 및
    상기 마이크로프로세서로부터 산정된 취사공간의 가상 재실인원(N) 데이터를 수신하고 해당 가상 재실인원(N)을 기초로 오염물의 농도가 목표 실내농도 도달시간(TS) 이내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS)의 이하를 만족하도록 필요한 배기량(Qnew)을 산정하며 이를 바탕으로 배기홴에 의한 배기량이 소정치(Qnew)가 되도록 해당 취사공간의 배기를 위해 되먹임 제어를 통해 상기 배기홴의 회전속도를 제어하는 제어부(70);를 포함하여 구성하되,
    상기 제어부(70)는, 전체 환기 공간 내에서 발생한 오염물의 전체 평균 농도 혹은 취사, 가스연소를 포함한 활동과 관련하여 발생한 오염물의 농도가 목표 실내농도 도달시간(TS) 내에 초기 입력값으로 주어진 목표 실내농도(CS) 이하를 만족하도록 목표 제어 CO2 농도를 적어도 둘 이상의 단계로 각각 나누고 수정된 각각의 단계별로 급기유량을 제어하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 3항 또는 4항에 있어서,
    실시간 배기 유량의 측정을 압력 검출기(50)의 설치 없이, 상기 제어부(70)가 실내 CO2 농도(C(ti))의 변화량과 현재 측정 실내 CO2농도(Ci )의 차의 제곱합이 최소가 되도록 하여 직접 산정하는 것을 특징으로 하는 수요 대응 능동환기를 통한 IAQ 제어 시스템.
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