KR100727184B1 - 자동차용 공조시스템의 ｐｍｖ 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법에 관한 것으로서, 온도 센서를 통해 측정되는 자동차 실내의 온도 외에, 활동량과 착의상태 및, 온열요소인 수증기 분압(습도), 기류속도, 일사에 의한 복사 온도 등과 같은 물리적 제어 변수를 PMV 산출시의 방정식을 이용하여 도출하되, 차내의 평균복사온도는 추정 가능한 물리량으로부터 계산 가능토록 하고, 의복표면온도는 종래의 방정식을 달리하여 반복 해법이 아닌, 단일 해법의 연산으로 구하며, 수증기 분압(습도), 기류속도, 일사에 의한 복사 온도 등과 같은 물리적 제어 변수 외의 의복 단열값, 활동량은 실험을 통해 미리 공조시스템의 제어기에 실험 데이터를 설정하여 최소한의 연산 기능만으로 제어토록 함으로써, 단순 온도 제어에 비해 정확한 PMV 제어가 가능하며, 이를 통해 에너지 절감 효과는 물론, 급격한 온도 변화를 방지하여 쾌적한 공조를 실현할 수 있는 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법에 관한 것이다.
자동차, 공조시스템, PMV

Description

자동차용 공조시스템의 ＰＭＶ 제어방법{Control method for PMV of airconditioning system for automobile}
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법을 나타내는 플로우챠트이다.
본 발명은 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차에 탑재된 종래 센서들을 활용하고, 종래의 공조 제어기의 연산 능력으로 PMV의 실시간 연산을 가능토록 함으로써, 온도 뿐만이 아니라, PMV 기반의 고급 공조 제어를 구현할 수 있는 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 탑승자에게 쾌적한 열환경을 제공하기 위해 차내 온도를 일정 온도로 유지하는 공조시스템의 온도 기반 공조 제어를 수행한다.
이러한 공조시스템은 실내 기류온도를 감지하고 공조 제어기에 설정한 설정 온도와의 오차가 발생하면 이 오차를 줄이기 위해 냉방 또는 난방 모드에서 풍량을 조절하여 실내 열환경을 쾌적하게 콘트롤하는 것을 목적으로 하며, 이를 위해 인간의 온열 감각을 추론해 내는 기법이 중요한 요소로 작용하게 된다.
여기서, 탑승자의 쾌감에 영향을 미치는 변수는 단순히 기류온도에 의해서만 영향을 받는 것이 아니라, 수증기 분압(습도), 기류속도, 일사에 의한 복사 온도, 그 밖의 물리적 요소 외에 착의량, 활동량을 포함하는 변수들에 의해 영향을 받게 된다.
예컨대, 여름철에는 23℃ 근처가 쾌적한 온도라면 겨울철에는 20℃ 근처가 쾌적한 온도 환경이 되는데, 이는 탑승자의 착의량, 평균복사온도 등이 영향을 미치기 때문이다.
그런데, 종래의 공조시스템은 온열감에 미치는 영향이 가장 큰 기류온도만을 제어하고, 습도변화, 평균복사온도 등의 변화에 따른 신체의 온열감 변화를 반영하지 않으므로 본질적인 의미의 온열감 최적 제어라고 할 수 없다.
따라서, 상기 습도변화, 평균복사온도 등의 변화에 따른 신체변화에 따른 온열 감각을 정량화시키기 위하여 PMV(Predicted Mean Vote: 예상 온열감)를 산출하는 기법이 가장 널리 사용된다.
이러한 PMV는 상기 온열 감각을 정신-물리적 척도(Psycho-Physical Scale)정량적으로 수치화하며, -3 ~ +3(예를 들어, -3 : cold, -2 : cool ... +2 : warm, +3 : hot)까지로 나타내며, -0.5 ~ +0.5의 수치를 나타낼 때 바람직한 열환경이 조성되었다고 할 수 있다.
이와 같은 PMV를 정량적으로 계산하여 PMV가 적정값을 유지하도록 제어하는 일반적인 기술은 다음과 같은 문제점이 있다.
(1) 평균복사온도 tr의 측정방법이 제시되어 있지 않다.
상기의 차내 평균복사온도는 차내 기류온도와는 다르기 때문에 평균복사온도를 직접 측정하거나 간접적으로 예측하는 방법이 제시되어야 한다.
(2) 의복표면온도 tcl의 계산방법이 실현 불가능하다.
종래 기술에서 제시한 tcl 계산식은 아래와 같다.
tcl = 35.7 - 0.028(M - W) - Icl{ 3.96 * 10-8 fcl* [(tcl + 273)4 - (tr + 273 )4] + fcl hc (tcl - ta)}
위의 식은 tcl에 관한 4차 다항식으로서, 반복 해법에 의해 연산하여야 한다.
그런데, 이러한 식을 연산하기 위하여 사용되는 공조 제어용 제어기는 8비트급의 저급 마이크로콘트롤러로서, 실수형 변수에 대한 사칙연산조차도 연산 시간이 상당히 소요될 만큼 연산성능이 열악하다.
더구나, 이 제어기는 주어진 시간간격 내에 제어에 필요한 모든 연산을 마치고 입력과 출력도 업데이트해야 하기 때문에, 위에서 제시된 식을 연산하는 것은 현실적으로 불가능하다.
(3) 활동량(M), 외부일(W), 의복단열값(Icl)의 입력방법이 불편하다.
즉, 일반 운전자는 활동량, 외부일 및 의복단열값에 대한 개념도 없고, 계절에 따라 일일이 선택하여 입력한다는 것도 소비자에게 불편과 불쾌감을 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 차내의 평균복사온도는 추정 가능한 물리량으로부터 계산 가능토록 하고, 의복표면온도는 반복 해법이 아닌, 단일 해법의 연산으로 구하며, 수증기 분압(습도), 기류속도, 일사에 의한 복사 온도 등과 같은 물리적 제어 변수 외의 의복 단열값, 활동량은 실험을 통해 미리 공조시스템의 제어기에 실험 데이터를 설정하여 최소한의 연산 기능만으로 제어토록 함으로써, 단순 온도 제어에 비해 정확한 PMV 제어가 가능하며, 이를 통해 에너지 절감 효과는 물론, 급격한 온도 변화를 방지하여 쾌적한 공조를 실현할 수 있는 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법에 있어서,
PMV 연산에 필요한 각종 센서로부터 PMV 제어변수를 감지하는 단계와;
계절별 시간별 인체의 활동량과 착의량에 따른 변수를 지정하는 단계와;
상기 각종 센서의 출력값과, 활동량 및 착의량에 의한 출력값을 하기의 방정식과 함께 연산하여 PMV 값을 산출하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법을 나타내는 플로우챠트로서, PMV(Predicted Mean Vote: 예상 온열감) 계산 후는 통상의 제어로직과 동일한 연산 기능으로 이루어진다.
본 발명은 종래의 온도 센서를 통해 측정되는 자동차 실내의 온도 외에, 활동량과 착의상태 및, 온열요소인 수증기 분압(습도), 기류속도, 일사에 의한 복사 온도 등과 같은 물리적 제어 변수를 PMV 산출시의 방정식을 이용하여 도출하되, 차내의 평균복사온도는 추정 가능한 물리량으로부터 계산 가능토록 하고, 의복표면온도는 종래의 방정식을 달리하여 반복 해법이 아닌, 단일 해법의 연산으로 구하며, 수증기 분압(습도), 기류속도, 일사에 의한 복사 온도 등과 같은 물리적 제어 변수 외의 의복 단열값, 활동량은 실험을 통해 미리 공조시스템의 제어기에 실험 데이터를 설정하여 최소한의 연산 기능만으로 제어토록 하는 기술이다.
본 발명에 따른 공조시스템에서 추구하는 쾌적한 환경은 PMV의 제어 변수를 통해 구현 가능한 바, 상기 PMV는 다음 식 (1)에 의해 구할 수 있다.
PMV = (0.303 e-0.036M + 0.028) {(M - W) - 3.05 * 10-3 * [5733 - 6.99 (M - W) - pa] - 0.42　* [(M - W) - 58.15] - 1.7 * 10-5 M (5867- pa) - 0.0014 M (34 - ta) - 3.96 * 10-8 fcl　* [(tcl + 273)4 - (tr + 273)4 ] - fcl hc (tcl - ta)}　　　......................................... 　　식 (1)
여기에서,
tcl = 35.7 - 0.028 (M - W) - Icl {3.96 * 10-8 fcl　* [(tcl + 273)4 - ( tr + 273 )4 ] + fcl hc (tcl - ta ) } ................. 　　식 (2)
이때, 2.38 (tcl - ta)0.25 > 12.1 root (var)인 경우, hc = 2.38 (tcl - ta)0.25 　
2.38 (tcl - ta)0.25 < 12.1 root (var)인 경우, hc = 12.1 root (var)
Icl < 0.078 m2℃ / W인 경우, fcl = 1.00 + 1.290 Icl
Icl > 0.078 m2℃ / W인 경우, fcl = 1.05 + 0.645 Icl　
여기서,
M　: 활동량(metabolic rate), 단위 : 인체 표면에서의 W/m2, 1 metabolic unit = 1 met = 58 W/m2
W　:　외부 일(external work), 단위 : W/m2, 대부분의 활동에서 0
Icl : 의복의 단열값(thermal resistance of clothing), 단위 : m2℃/W, 1 unit of thermal resistance of clothing = 1 clo = 0.155 m2℃/W
fcl : 나체일 경우 인체 표면적에 대한 착의시 인체 표면적 비율
ta : 공기 온도(air temperature), 단위 : ℃
tr : 평균복사온도(mean radiant temperature), 단위 : ℃
var : 상대 기류속도(relative air velocity), 단위 : m/s
Pa : 수증기 분압(partial water vapour pressure), 단위 : pascals
hc : 대류 열전달 계수(convective heat transfer coefficient), 단위 : W/m2℃
tcl : 의복의 표면온도(surface temperature of clothing), 단위 : ℃이다.
상기 식 (1)을 통해 서로 다른 활동량, 착의량, 온도, 평균복사온도, 기류속도, 수증기 분압(습도)의 조합에 대한 PMV를 계산할 수 있다.　　
상기 tcl과 hc에 관한 방정식은 통상적인 반복 해법에 의해 연산할 수 있을 것이다.
상기와 같은 식을 통해 연산되는 PMV를 자동차의 공조시스템의 제어기에 입력하여 이를 실시간으로 제어토록 하는 바, 상기 PMV 제어를 위해서는 PMV를 실시간으로 연산하여 제어 변수로 사용해야 한다.
이러한 제어기의 연산시에 위의 식(2)와 같이 반복 해법에 의해 의복 표면온도 tcl를 구해야 하는 경우에 연산 부담이 커서 제어 동작이 원활히 진행될 수 없는 바, 본 발명에서는 이러한 단점을 보완하기 위하여 다음과 같은 대체 식을 적용하여 반복 해법이 아닌 일회의 연산으로 tcl를 구할 수 있게 된다.
식(2)의 마지막 항은 피복 외피와 주위와의 대류 및 복사에 의한 열전달량이며, 이는 아래와 같이 땀, 호흡, 표피에서의 수분 확산 등에 의한 열전달량과 동일하기 때문에 반복 해법이 필요 없는 식 (3)의 마지막 항으로 대체된다.
상기 식 (3)도 PMV 연구와 관련하여 잘 알려져 있는 식인데, 식 (3)에서 M과 W는 차내에 앉아 있는 조건이기 때문에 거의 일정한 값이다.
tcl = 35.7 - 0.028(M - W)-0.155 * Icl * ((M - W)- 3.05 e - 3 * (5733 - 6.99 * (M - W)-Pa) - 0.42 * ((M - W) - 58.15) - 1.7e - 5M * (5867 - Pa)-0.0014 * M * (34- ta])) ............................ 식 (3)
한편, 식 (1)과 (3)으로부터 PMV를 계산하려면 기류속도, 평균복사온도, 활동량 및 의복의 단열값을 알 수 있어야 한다.
상기 PMV는 주로 온열감에 대한 연구 지표로만 사용되어 왔으나, 정량적 지표의 편리성을 공조 제어 목적에 활용하기 위해서는 상기의 물리량을 측정하거나 추정할 수 있는 알고리즘이 필요하다.
지금까지 PMV 지표가 일반 공조시스템에서 활용되지 못한 이유 중의 하나는 이러한 물리량 측정장비가 고가이고 복잡하며 설치가 불편하기 때문이다.
그러나, 자동차 실내와 같이 운전 목적으로 활동량이 거의 정해져 있는 경우에는 이러한 물리량을 직접 측정하지 않고, 간접적으로 추정하는 것이 가능하다.
본 발명은 이러한 추정 방법으로서 다음과 같은 식을 적용한다.
1) 기류속도(Var)
먼저, 기류속도는 주로 팬 풍량에 의해 결정되고, 그 팬 풍량은 제어기 출력이므로 정보를 얻을 수 있다.
따라서 다음과 같은 함수 관계식을 실험을 통하여 구한다.
var = f(팬 풍량) ............................... 식 (4)
2) 평균복사온도(tr)
평균복사온도는 다음의 식(5)의 측정 또는 추정가능한 물리량으로부터 계산이 가능하다.
tr = f(공기온도 ta, 일사량, 기류속도, 외기온도).....식 (5)
여기서, 상기 공기온도, 일사량, 외기온도는 기존 차량에 장착된 센서들로부터의 측정값이며, 기류속도는 식 (4)로부터 얻게 된다.
3) 활동량(M)
또한, 활동량은 운전의 경우, 약 1.4 met로 알려져 있으며, 보다 정확한 데이터가 필요하면 실차 실험을 통해 얻을 수 있다.
4) 의복의 단열값(Icl)
의복의 단열값은 착의량에 의해 결정되는데 착의량은 주로 외기온도의 함수이다.
즉, 이를 식으로 표시하면, 의복의 단열값(Icl) = f(외기온도)이다.
상기 외기온도 함수에 따른 착의량 특성을 실험적으로 구해 놓으면 외기량에 의해 의복 단열값을 결정할 수 있다.
이때, 일교차 등에 의한 착의량 변동을 줄이기 위해 상기 착의량 결정을 위한 외기온도는 차속이 시속 10 km/h 이상이고 시동 후 10분 이후에 유효한 값으로 간주하는 바, 매 운전시마다 계산된 외기온도 평균값의 최근 10회분을 저장한 다음, 이를 근거로 의복의 단열값을 측정한다.
5) 수증기압 (Pa)
수증기압 Pa는 실내 상대습도 RH(%), 포화수증기압 Ps와 다음의 관계를 갖으며, 포화 수증기압 Ps는 공기 온도 ta에 의해 임의로 결정된다.
Pa = RH(%) * Ps/100 ........................ 식 (6)
따라서, 본 발명에 따른 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법은 공기온도, 기류속도, 습도 등 다양한 물리량이 반영된 정량 지표이지만, 가장 영향도가 높은 변수는 공기온도이고, 다른 물리량은 공기온도에 다소 종속적이거나 영향이 상대적으로 작아서, PMV가 설정값에 수렴하도록 공기온도 제어의 경우처럼 차내 공기에 열에너지를 가감하면 충분히 제어가 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법에 의하면, 단순 온도 제어에 비해 정확한 PMV 제어가 가능하며, 이를 통해 에너지 절감 효과는 물론, 급격한 온도 변화를 방지하여 쾌적한 공조를 실현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법에 있어서,
    PMV 연산에 필요한 각종 센서로부터 PMV 제어변수를 감지하는 단계와;
    계절별 시간별 인체의 활동량과 착의량에 따른 변수를 지정하는 단계와;
    상기 각종 센서의 출력값과, 활동량 및 착의량에 의한 출력값을 다음의 방정식과 함께 연산하여 PMV 값을 산출하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법.
    PMV = (0.303 e-0.036M + 0.028) {(M - W) - 3.05 * 10-3 * [5733 - 6.99 (M - W) - pa] - 0.42　* [(M - W) - 58.15] - 1.7 * 10-5 M (5867- pa) - 0.0014 M (34 - ta) - 3.96 * 10-8 fcl　* [(tcl + 273)4 - (tr + 273)4 ] - fcl hc (tcl - ta)}　
    여기에서,
    tcl = 35.7 - 0.028(M - W)-0.155 * Icl * ((M - W)- 3.05 e - 3 * (5733 - 6.99 * (M - W)-Pa) - 0.42 * ((M - W) - 58.15) - 1.7e - 5M * (5867 - Pa)-0.0014 * M * (34- ta]))
    이때, 2.38 (tcl - ta)0.25 > 12.1 root (var)인 경우, hc = 2.38 (tcl - ta)0.25 　
    2.38 (tcl - ta)0.25 < 12.1 root (var)인 경우, hc = 12.1 root (var)
    Icl < 0.078 m2℃ / W인 경우, fcl = 1.00 + 1.290 Icl
    Icl > 0.078 m2℃ / W인 경우, fcl = 1.05 + 0.645 Icl　
    여기서,
    M　: 활동량(metabolic rate), W　:　외부 일(external work),
    Icl : 의복의 단열값(thermal resistance of clothing),
    fcl : 나체일 경우 인체 표면적에 대한 착의시 인체 표면적 비율 ,
    ta : 공기 온도(air temperature),
    tr : 평균복사온도(mean radiant temperature),
    var : 상대 기류속도(relative air velocity),
    Pa : 수증기 분압(partial water vapour pressure),
    hc : 대류 열전달 계수(convective heat transfer coefficient),
    tcl : 의복의 표면온도(surface temperature of clothing).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 각종 센서에 의해 감지되는 공기온도, 일사량, 외기온도와, 팬풍량에 의해 결정되는 기류속도를 통해 그 함수인 평균복사온도(tr)를 측정 가능한 것을 특징으로 하는 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 착의량은 차속이 시속 10 km/h 이상이고, 시동 후 10분 이후에 유효한 최근 10회분의 외기온도 평균값의 함수 관계식(의복의 단열값(Icl) = f(외기온도))으로 측정 가능한 것을 특징으로 하는 자동차용 공조시스템의 PMV 제어방법.
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