KR101010203B1 - 건물의 이중외피 시스템 및 그 적응제어 방법 - Google Patents

건물의 이중외피 시스템 및 그 적응제어 방법 Download PDF

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Abstract

건물의 이중외피 시스템 및 그 적응제어 방법이 개시된다. 환기부와 차광부가 설치되며, 제1 외피와 제2 외피로 이루어지는 건물의 이중외피를 이용하여, 미리 설정된 하나 이상의 운전모드에 따라 건물의 실내 환경을 제어하는 시스템으로서, 환기부 및 차광부 중 하나 이상을 작동시키는 구동부, 환기부의 개폐여부, 환기부의 개구율, 차광부의 개폐여부 및 차광부의 개구율로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상에 대한 제어비용을 연산하고, 연산된 제어비용 중 최저 제어비용에서의 제어변수를 최적제어변수로 결정하는 제어변수 결정부, 및 최적제어변수에 따라 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 건물의 실내 환경 제어 시스템에 의하여, 시스템 성능을 정량적으로 평가할 수 있어 우수한 시스템 성능의 유지가 가능하고, 정량적 평가된 정보를 바탕으로 사용자가 원하는 운영모드를 선택하여 지정할 수 있도록 한다.
Figure R1020080123774
이중외피, 적응제어, 시뮬레이션 모델

Description

건물의 이중외피 시스템 및 그 적응제어 방법{DOUBLE FACADE SYSTEM AND ADAPTIVE CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 이중외피 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건물의 이중외피 시스템 및 그 적응제어 방법에 관한 것이다.
건물의 창호는 자연채광과 조망 등을 제공하지만, 과도 냉난방 부하, 일사투과로 인한 열적 불쾌감, 글레어(glare) 등으로 인한 시각적 불쾌감의 원인이 되기도 한다. 이러한 문제점을 극복하고자 건물의 창호를 이중으로 구성하는 이중외피(double facade)가 도입되었는데, 이중외피는 일반적으로 실외측 창호와 실내측 창호, 그리고 그 둘 사이에 형성되는 중공층(中空層)으로 구성된다.
이중외피의 외측 창 및/또는 내측 창에는 개구부(開口部)나 환기댐퍼 등을 설치하여 창호의 개폐정도를 조절할 수 있도록 하고, 중공층에는 루버나 블라인드 등을 설치하여 일조나 일사의 유입을 조절할 수 있도록 한다. 이중외피의 내측 창은 재실자에 의한 개방 또는 폐쇄를 고려하여 개구부의 개폐기구(機構)를 설계하며, 외측 창은 내측 창의 경우와 달리 상부와 하부에 각각 개구부를 배치하는 등 건물의 실내 환경을 고려한 개구부 설계가 가능하다.
이중외피의 제어 메커니즘을 살펴보면, 난방기에는 외측 창과 내측 창의 모든 개구부를 닫고 루버나 블라인드가 일사 에너지를 흡수, 방출하는 과정에서 중공층의 온도를 상승시키도록 함으로써 결과적으로 실내에서 실외로의 열손실을 절감한다. 냉방기에는 외측 창의 상, 하부 개구부를 모두 개방하여 중공층 내의 과열 현상을 방지함으로써 실내로의 일사 에너지의 유입을 차단한다.
그러나 종래의 이중외피 제어방법은 실시간으로 변화하는 시스템의 동적 모델(dynamic model)에 기반한 것이 아니고, 단순한 관행(Rule-based)에 의존한 것이라는 한계가 있다. 건물 및 건물의 외피는 움직이는 비행기나 자동차와 같이 관성을 가지고 있어서, 현재 상태를 기준으로 제어하는 것은 시스템의 변화를 반영하지 못하기 때문에 최적의 상태로 제어되지 못하게 된다.
또한, 건물의 외피는 열, 빛, 음, 공기환경 모두와 관계되기 때문에, 이중 하나의 측면만을 고려하여 건물을 제어한다면 다른 측면에서는 오히려 불리한 상태를 야기할 가능성도 있으며, 이중외피 시스템은 실외와 실내의 변수에 따라 다르게 제어되어야 하지만, 재실자가 없는 경우, 또는 재실자가 있더라도 올바른 제어 상태를 판단할 수 없는 경우가 있다.
재실자가 올바른 제어 상태를 판단할 수 있다 하더라도, 재실자의 필요에 따라 즉각적인 제어가 이루어지지 않고, 시간의 경과에 따라 특정 시각에서 올바른 것으로 판단되었던 제어 상태가 그렇지 않은 상태로 변하게 됨으로써 에너지 낭비가 불가피할 수도 있으며, 이 경우 오히려 과다한 에너지 낭비를 초래하고 불쾌한 실내 환경을 생성할 수도 있다.
또한, 종래의 이중외피 시스템은 제어자의 경험이나 직관에 의해 정해진 규칙에 따라 운전 및 제어되도록 설계되고 시스템의 동적 특성이 고려되지 않아, 외기 및 내부 운전 조건에 따른 시스템의 상태를 예측할 수 없고, 궁극적으로 시스템의 성능을 최적화할 수 없다는 한계가 있다.
또한, 종래의 이중외피 시스템에 대한 제어 방법은 단지 정해진 규칙에 따라 운전 및 제어될 뿐 시스템의 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 방안이 제시되지 못하는 한계가 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은, 건물의 실내외의 환경변수와 재실자의 기호에 따라 실시간으로 이중외피 시스템을 제어할 수 있고, 건물의 실내에 최적의 쾌적조건을 생성하며, 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 건물의 이중외피 시스템 및 그 적응제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 시스템의 동특성(dynamic characteristic)을 고려한 최적 제어가 가능하고, 외기 및 이중외피시스템의 상태 정보를 네트워크를 통해 사용자(거주자 또는 관리자 등)가 실시간으로 확인할 수 있으며, 사용자가 확인한 정보를 토대로 원하는 운영모드를 선택하여 지정할 수 있도록 하는 건물의 이중외피 시스템 및 그 적응제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 시스템 성능을 정량적으로 평가할 수 있도록 하여 우수한 시스템 성능의 유지가 가능하고, 정량적 평가된 정보를 바탕으로 사용자가 원하는 운영모드를 선택하여 지정할 수 있도록 하는 건물의 이중외피 시스템 및 그 적응제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 환기부와 차광부가 설치되며, 제1 외피와 제2 외피로 이루어지는 건물의 이중외피를 이용하여, 미리 설정된 하나 이상의 운전모드에 따라 건물의 실내 환경을 제어하는 시스템으로서, 환기부 및 차광부 중 하나 이상을 작동시키는 구동부, 환기부의 개폐여부, 환기부의 개구율, 차광부의 개폐여부 및 차광부의 개구율로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상에 대한 제어비용을 연산하고, 연산된 제어비용 중 최저 제어비용에서의 제어변수를 최적제어변수로 결정하는 제어변수 결정부, 및 최적제어변수에 따라 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 건물의 실내 환경 제어 시스템이 제공된다.
최적제어변수의 결정은 미리 지정된 시간마다 반복될 수 있다.
최적제어변수는 수학식
Figure 112008084222561-pat00001
에 의해 산출될 수 있다. 여기서, AFR은 기류 모드를 나타내고, OR은 환기부의 개구율을 나타내며, φ는 차광부의 슬랫 각도일 수 있다.
또한, 최적제어변수는 수학식
Figure 112008084222561-pat00002
을 더 이용하여 산출될 수 있다. 여기서, r i 는 상대 가중계수(relative weighting factors)를, Q cv,rd 는 유리창 표면의 대류 및 복사에 의한 실내측 열획득율을, Q sol,trans 는 실내측으로 투과된 일사를, Q air 는 중공층 공기의 유동으로 인한 실내측 열획득율을, Q DA 는 자연채광으로 인한 인공조명 에너지 감소량을, pf i 는 자승 벌칙함수(square penalty function)를, E avg 는 작업면의 평균 자연채광 조도(Lux)를, U는 균제도(uniformity)를, L avg 는 실내측 유리표면의 평균 휘도를, φ는 루버 슬랫 각도를, PPD는 예상불만족율을, CMH는 외피를 통한 외기도입량을 각각 의미한다.
건물의 실내 환경 제어 시스템은 제1 외피, 제2 외피 및 건물의 실내 중 하나 이상에 결합되어 센싱 신호를 생성하는 하나 이상의 센서부 및 미리 저장된 시뮬레이션 모델에서의 출력값과 센싱 신호에 따른 측정값 간의 차이로 표현되는 목적함수가 최소화되는 미지계수를 연산하여 시뮬레이션 모델을 보정하는 보정부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부는 보정된 시뮬레이션 모델을 참조하여 구동부가 제어되도록 할 수 있다.
보정부는 각각 지정된 시간마다 연산을 재수행할 수 있다.
시뮬레이션 모델은 제1 외피와 제2 외피 사이의 공기의 흐름을 해석하기 위한 기류 모델(airflow model)을 포함할 수 있다.
시뮬레이션 모델은 제1 외피와 제2 외피 사이의 전열 해석을 위한 열적 모델(thermal model)을 포함할 수 있다.
시뮬레이션 모델은 기류 모델(airflow model) 및 열적 모델(thermal model)을 포함하되, 기류모델 해석에 의해 산출된 형태손실계수, 유량계수 및 유량지수에 대한 계수값이 열적 모델 해석을 위해 이용될 수 있다.
목적 함수는 최소화되는 미지계수를 연산하기 위하여 수학식
Figure 112008084222561-pat00003
(s.t. : lb≤ξ≤ub)으로 표현될 수 있다. 여기서, Yk는 관측벡터, Ψk는 이산상태공간의 상태 벡터, z는 관측 횟수, ξ는 미지 계수 벡터, lb는 미지 계수의 하한 벡터이며, ub는 미지 계수의 상한 벡터일 수 있다.
목적 함수는 망각지수(forgetting factor) λ를 더 포함하여 수학식
Figure 112008084222561-pat00004
(s.t. : lb≤ξ≤ub)으로 표현될 수도 있다. 여기서, 망각 지수는 0 초과 및 1 이하의 값 중 어느 하나의 값으로 지정될 수 있다.
건물의 실내 환경 제어 시스템은 시뮬레이션 모델에 따른 시뮬레이션 결과, 제어비용의 연산 결과 및 구동부의 제어 결과 중 하나 이상을 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기에 제공하는 송신부, 사용자 단말기로부터 네트워크를 통해 사용자 조작 명령을 수신하는 수신부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부는 사용자 조작 명령에 부합하는 운전모드에 따른 제어모델로 구동부를 제어할 수 있다.
센서부는 실내 온도, 실내 습도, 외기 온도, 외기 습도, 직달 일사량, 산란 일사량, 실외 조도 및 실내 조도로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 감지할 수 있다.
운전모드는, 시(視)적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드, 재실자 선택모드, 야간모드 및 환기모드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
차광부는 제1 외피와 제2 외피 사이에 설치되는 차양장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 외피와 제2 외피로 이루어지는 이중외피, 센서부 및 구동부를 포함하여 건물에 설치된 이중외피 시스템을 이용하여 건물의 실내 환경을 제어하는 시스템으로서, 환기부의 개폐여부, 환기부의 개구율, 차광부의 개폐여부 및 차광부의 개구율로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상에 대한 제어비용을 연산하고, 연산된 제어비용 중 최저 제어비용에서의 제어변수를 최적제어변수로 결정하는 제어변수 결정부, 및 최적제어변수에 따라 구동부를 제어하기 위한 제어 신호를 네트워크를 통해 전송하는 제어부를 포함하는 건물의 실내 환경 제어 시스템이 제공된다. 여기서, 이중외피는 환기부와 차광부가 설치되고, 센서부는 제1 외피, 제2 외피 및 건물의 실내 중 하나 이상에 결합되어 센싱 신호를 생성하여 전송하며, 구동부는 제어 신호에 따라 환기부 및 차광부 중 하나 이상을 작동시킬 수 있다.
건물의 실내 환경 제어 시스템은 센서부로부터 네트워크를 통해 센싱 신호를 수신하는 수신부, 및 미리 저장된 시뮬레이션 모델에서의 출력값과 센싱 신호에 따른 측정값 간의 차이로 표현되는 목적함수가 최소화되는 미지계수를 연산하여 시뮬레이션 모델을 보정하는 보정부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부는 보정된 시뮬레이션 모델을 참조하여 제어 신호를 생성할 수 있다.
최적제어변수의 결정은 미리 지정된 시간마다 반복될 수 있다.
최적제어변수는 수학식
Figure 112008084222561-pat00005
에 의해 연산될 수 있다. 여기서, AFR은 기류 모드를 나타내고, OR은 환기부의 개구율을 나타내며, φ는 차광부의 슬랫 각도일 수 있다.
또한, 최적제어변수는 수학식
Figure 112008084222561-pat00006
을 더 이용하여 산출될 수 있다. 여기서, r i 는 상대 가중계수(relative weighting factors)를, Q cv,rd 는 유리창 표면의 대류 및 복사에 의한 실내측 열획득율을, Q sol,trans 는 실내 측으로 투과된 일사를, Q air 는 중공층 공기의 유동으로 인한 실내측 열획득율을, Q DA 는 자연채광으로 인한 인공조명 에너지 감소량을, pf i 는 자승 벌칙함수(square penalty function)를, E avg 는 작업면의 평균 자연채광 조도(Lux)를, U는 균제도(uniformity)를, L avg 는 실내측 유리표면의 평균 휘도를, φ는 루버 슬랫 각도를, PPD는 예상불만족율을, CMH는 외피를 통한 외기도입량을 각각 의미한다.
보정부는 각각 지정된 시간마다 연산을 재수행할 수 있다.
시뮬레이션 모델은 제1 외피와 제2 외피 사이의 공기의 흐름을 해석하기 위한 기류 모델(airflow model)을 포함할 수 있다.
시뮬레이션 모델은 제1 외피와 제2 외피 사이의 전열 해석을 위한 열적 모델(thermal model)을 포함할 수 있다.
시뮬레이션 모델은 기류 모델(airflow model) 및 열적 모델(thermal model)을 포함하되, 기류모델 해석에 의해 산출된 형태손실계수, 유량계수 및 유량지수에 대한 계수값이 열적 모델 해석을 위해 이용될 수 있다.
목적 함수는 최소화되는 미지계수를 연산하기 위하여 수학식
Figure 112008084222561-pat00007
(s.t. : lb≤ξ≤ub)으로 표현될 수 있다. 여기서, Yk는 관측벡터, Ψk는 이산상태공간의 상태 벡터, z는 관측 횟수, ξ는 미지 계수 벡터, lb는 미지 계수의 하한 벡터이며, ub는 미지 계수의 상한 벡터일 수 있다.
목적 함수는 망각지수(forgetting factor) λ를 더 포함하여 수학식
Figure 112008084222561-pat00008
(s.t. : lb≤ξ≤ub)으로 표현될 수도 있다. 여기서, 망각 지수는 0 초과 및 1 이하의 값 중 어느 하나의 값으로 지정될 수 있다.
건물의 실내 환경 제어 시스템은 시뮬레이션 모델의 보정 결과, 시뮬레이션 결과 및 구동부의 구동 결과 중 하나 이상을 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기에 제공하는 송신부 및 네트워크를 통해 사용자 단말기로부터 사용자 조작 명령을 수신하는 수신부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부는 사용자 조작 명령에 부합하는 운전모드에 따른 제어모델의 제어 신호를 생성할 수 있다.
건물의 실내 환경 제어 시스템은 시뮬레이션 모델에 따른 보정 결과, 시뮬레이션 결과 및 구동부의 구동 결과 중 하나 이상의 결과 정보를 네트워크를 통해 연결된 정보 제공 장치로 전송하는 송신부 및 정보 제공 장치로부터 네트워크를 통해 수신되는 사용자 조작 명령을 수신하는 수신부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 정보 제공 장치는 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기로 결과 정보를 제공하고, 사용자 단말기로부터 사용자 조작 명령을 수신하여 수신부로 전송하며, 제어부는 사용자 조작 명령에 부합하는 운전모드에 따른 제어모델의 제어 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 환기부와 차광부가 설치되며, 제1 외피와 제2 외피로 이루어지는 건물의 이중외피 시스템을 제어하는 방법으로서, (a) 환기 부의 개폐여부, 환기부의 개구율, 차광부의 개폐여부 및 차광부의 개구율로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상에 대한 제어비용을 연산하는 단계 및 (b) 연산된 제어비용 중 최저 제어비용에서의 제어변수를 최적제어변수로 결정하는 단계를 포함하는 이중외피 시스템의 제어 방법이 제공된다. 여기서, 최적제어변수에 따라 환기부와 차광부 중 하나 이상을 작동시키는 구동부가 제어될 수 있다.
이중외피 시스템의 제어 방법은 단계 (a) 이전에 수행되는, (c) 미리 저장된 시뮬레이션 모델에서의 출력값과 센서부에 의해 센싱된 센싱 신호에 따른 측정값 간의 차이로 표현되는 목적함수가 최소화되는 미지계수를 연산하는 단계 및 (d) 연산된 미지계수를 이용하여 시뮬레이션 모델을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 보정된 시뮬레이션 모델을 참조하여 미리 지정된 제어모델에 따라 구동부가 제어될 수 있다.
단계 (a) 내지 단계 (d)는 지정된 시간마다 재수행될 수 있다.
최적제어변수는 수학식
Figure 112008084222561-pat00009
에 의해 산출될 수 있다. 여기서, AFR은 기류 모드를 나타내고, OR은 환기부의 개구율을 나타내며, φ는 차광부의 슬랫 각도일 수 있다.
또한, 최적제어변수는 수학식
Figure 112008084222561-pat00010
을 더 이용 하여 산출될 수 있다. 여기서, r i 는 상대 가중계수(relative weighting factors)를, Q cv,rd 는 유리창 표면의 대류 및 복사에 의한 실내측 열획득율을, Q sol,trans 는 실내측으로 투과된 일사를, Q air 는 중공층 공기의 유동으로 인한 실내측 열획득율을, Q DA 는 자연채광으로 인한 인공조명 에너지 감소량을, pf i 는 자승 벌칙함수(square penalty function)를, E avg 는 작업면의 평균 자연채광 조도(Lux)를, U는 균제도(uniformity)를, L avg 는 실내측 유리표면의 평균 휘도를, φ는 루버 슬랫 각도를, PPD는 예상불만족율을, CMH는 외피를 통한 외기도입량을 각각 의미한다.
시뮬레이션 모델은 제1 외피와 제2 외피 사이의 공기의 흐름을 해석하기 위한 기류 모델(airflow model)을 포함할 수 있다.
시뮬레이션 모델은 제1 외피와 제2 외피 사이의 전열 해석을 위한 열적 모델(thermal model)을 포함할 수 있다.
시뮬레이션 모델은 기류 모델(airflow model) 및 열적 모델(thermal model)을 포함하되, 기류모델 해석에 의해 산출된 형태손실계수, 유량계수 및 유량지수에 대한 계수값이 열적 모델 해석을 위해 이용될 수 있다.
목적 함수는 최소화되는 미지계수를 연산하기 위하여 수학식
Figure 112008084222561-pat00011
(s.t. : lb≤ξ≤ub)으로 표현될 수 있다. 여기서, Yk는 관측벡터, Ψk는 이산상태공간의 상태 벡터, z는 관측 횟수, ξ는 미 지 계수 벡터, lb는 미지 계수의 하한 벡터이며, ub는 미지 계수의 상한 벡터일 수 있다.
목적 함수는 망각지수(forgetting factor) λ를 더 포함하여 수학식
Figure 112008084222561-pat00012
(s.t. : lb≤ξ≤ub)으로 표현될 수도 있다. 여기서, 망각 지수는 0 초과 및 1 이하의 값 중 어느 하나의 값으로 지정될 수 있다.
이중외피 시스템의 제어 방법은 시뮬레이션 모델의 보정 결과 및 구동부의 작동 결과 중 하나 이상을 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기에 제공하는 단계 및 사용자 단말기로부터 네트워크를 통해 사용자 조작 명령을 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구동부는 사용자 조작 명령에 부합하는 운전모드에 따른 제어모델에 따라 제어될 수 있다.
이중외피 시스템의 제어 방법은 시뮬레이션 모델의 보정 결과 및 구동부의 작동 결과 중 하나 이상을 네트워크를 통해 연결된 정보 제공 장치에 제공하는 단계 및 정보 제공 장치로부터 네트워크를 통해 사용자 조작 명령을 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 네트워크를 통해 연결된 정보 제공 장치로부터 사용자 조작 명령이 수신되면, 사용자 조작 명령에 부합하도록 구동부의 작동이 제어될 수 있다.
센서부는 실내 온도, 실내 습도, 외기 온도, 외기 습도, 직달 일사량, 산란 일사량, 실외 조도 및 실내 조도로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 감지할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 건물의 실내외의 환경변수와 재실자의 기호에 따라 실시간으로 이중외피 시스템을 제어할 수 있고, 이에 따라 건물의 실내에 최적의 쾌적조건을 생성하며 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.
또한, 외기 및 이중외피시스템의 상태 정보를 네트워크를 통해 사용자(거주자 또는 관리자 등)가 실시간 확인할 수 있고, 사용자가 확인한 정보를 토대로 원하는 운영모드를 선택하여 지정할 수 있다.
또한, 시스템 성능을 정량적으로 평가할 수 있도록 하여 우수한 시스템 성능의 유지가 가능하고, 정량적 평가된 정보를 바탕으로 사용자가 원하는 운영모드를 선택하여 지정할 수 있도록 한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체 적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중외피 시스템의 제어를 위한 전체 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 전체 시스템은 이중외피 시스템(100), 제어장치(140), 정보 제공 장치(150) 및 사용자 단말기(160)를 포함한다.
본 실시예는 건물의 이중외피 시스템을 실내외 환경조건과 건물 사용자의 기호를 고려하여 실시간으로 제어함으로써, 에너지 절약 및 실내 쾌적도를 향상시키고자 한 것이다.
본 실시예에서 제어대상이 되는 건물의 이중외피 시스템(100)은 기본적으로 2개의 외피(즉, 제1 외피와 제2 외피), 각 외피에 형성되는 환기부, 외피 사이에 또는 실외측(또는 실내측)에 형성되는 차광부로 구성된다. 이 중 환기부는 실내 환기량, 외기도입 냉난방 등을 조절하며, 차광부는 일사량의 실내 유입여부 및 자연채광을 조절하는 구성요소이다.
즉, 이중외피 시스템(100)은 건물의 외피를 구성하도록 설치되는 제1 외피, 제1 외피와 소정 간격 이격되어 제1 외피보다 실외측에 설치되는 제2 외피를 기본으로 하며, 제1 외피와 제2 외피의 사이 공간인 중공층에서 실내외에서 유입, 유출되는 기류 및 일사를 조절함으로써 기존의 단일 외피를 갖는 건물보다 우수한 실내 환경을 생성할 수 있다.
제1 외피 및 제2 외피에는 고정창, 미닫이창, 개폐식 창 등 다양한 형태의 창호가 설치될 수 있으며, 이하 실시예에서는 고정창을 예로 들어 설명한다. 다만, 본 실시예의 제1 외피 및 제2 외피에 설치되는 창호가 반드시 고정창에 한정되는 것은 아님은 물론이다. 고정창은 자동으로 개폐되도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 고정창의 개폐기구에 구동모터가 결합될 수 있다.
이하에서, 이중외피 시스템(100)을 설명함에 있어 환기부가 환기댐퍼인 경우, 차광부가 루버인 경우를 예로 들어 설명한다.
실내외의 환경변수와 사용자의 기호에 따라 실시간으로 최적의 실내 환경조건을 생성하도록 하기 위한 이중외피 시스템(100)은 센서부(101), 제1 외피(110), 제1 환기댐퍼(112), 제1 환기댐퍼 구동부(114), 제2 외피(120), 제2 환기댐퍼(122), 제2 환기댐퍼 구동부(124), 중공층(130), 루버(132), 루버 구동부(134)를 포함한다.
건물의 실내외 환경변수에 따른 이중외피 시스템(100)의 제어를 위해, 센서부(101)가 건물 또는 제1 및 제2 외피(110, 120) 중 하나 이상에 설치되고, 센서부(101)는 센싱한 센싱신호(측정신호)를 제어장치(140)로 전송한다. 이를 위해 센서부(101)는 네트워크 연결 및 신호 전송을 위한 부품, 회로 등을 더 포함할 수 있다.
도 1에서는 설명의 편의상 센서부(101)를 통합된 개념으로 도시하였다. 따라서, 센서부(101)에 포함되는 각종 센서들은 측정하고자 하는 값에 대응하여 각각 적절한 위치에 설치되며, 측정센서별 설치 위치에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도시된 바와 같이, 건물의 실외측에 설치되는 제1 외피(110), 제1 외피(110)에 이격되어 중공층(30)을 형성하면서 제1 외피(10)의 실외측에 설치되는 제2 외피(120)가 구비된다. 제1 외피(110)의 상부 및 하부에는 제1 환기댐퍼(112)가 설치되고, 제2 외피(120)의 상부 및 하부에는 제2 환기댐퍼(122)가 설치된다. 제1 외피(110)와 제2 외피(120) 사이의 중공층(130)에는 루버(132)가 설치된다.
이중외피 시스템(100)은 각 외피에 설치되는 환기댐퍼(112, 122)의 개폐정도와 중공층(130)에 설치되는 루버(132)의 경사각을 제어하여 일사량의 유입여부 및 중공층(130)에서 완충된(buffered) 기류의 실내유입 또는 실외배출 여부를 조절함으로써 건물의 실내환경을 제어한다.
이중외피 시스템(100)은 최적의 실내환경을 형성하기 위한 제어장치(140)와 유선 또는 무선 네트워크에 의해 연결된다. 즉, 제어장치(140)는 이중외피 시스템(100)의 구동부(114, 124, 134)와 직접 연결될 수도 있으나, 유/무선 인터넷, 인트라넷 등의 네트워크를 통해 연결될 수도 있다.
이로써, 이중외피 시스템(100)은 사용자(거주자 또는 관리자 등)가 재실 중인 경우뿐 아니라 원격지에서도 실시간 제어될 수 있다. 아울러, 후술되는 바와 같이, 사용자는 사용자 단말기(160)를 이용하여 네트워크를 통해 정보 제공 장치(150)에 접속함으로써 웹상에서 제어장치(140)에 의한 시뮬레이션 결과, 구동부의 동작 결과 상태, 적응최적제어모델에 따른 결정 결과 등을 확인할 수 있고, 사용자가 원하는 운전모드로의 전환 설정 등을 제어할 수도 있다. 여기서, 운전모드는, 시(視)적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드, 재실자 선택모드, 야간모드 및 환기모드 등으로 분류될 수 있으며, 사용자는 하나 이상을 선택하여 지정된 운전모드로 동작되도록 할 수 있다. 사용자는 조건(예를 들어, 시간대별, 실내온도별, 실내습도별 등)에 따라 구분되도록 복수개의 운전모드를 일괄 선택하여 부합되는 조건에 따라 지정된 운전모드로 개별 동작되도록 할 수도 있다.
제어장치(140)는 센서부(101)로부터 센싱되어 입력되는 센싱신호를 이용하여 건물의 환경변수 및 사용자의 기호에 따른 운전모드에 따라 제1 및 제2 환기댐퍼(112, 122) 및 루버(32)의 개폐여부, 슬랫 각도 등을 제어한다.
사용자의 기호에 따른 운전모드로 이중외피 시스템(100)을 제어하기 위해, 제어장치(140)에는 건물의 사용자의 기호를 기준으로 시각적 쾌적 모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드, 재실자 선택모드, 야간모드, 환기모드 등의 운전모드에 관한 설정값들이 미리 저장될 수 있다. 사용자는 이중외피 시스템(100)이 실내환경에 영향을 미치는 다양한 요소들에 대하여 자신의 기호에 따라 가중치를 부여하거나, 디폴트(default)로 설정된 운전모드별 가중치를 이용할 수도 있다.
이러한 실내환경 요소에는 실내 온도, 실내 조도, 실내 조도의 분포도, 조망의 확보여부, 실내 이산화탄소 농도, 실외 오염도, 실외 소음도, 에너지 사용량 등이 있다. 사용자의 입력으로 각 요소의 최고 및 최저 허용 한계를 결정할 수 있고, 또한 각 요소에 대한 가중치를 변경함으로써 각 요소 간의 상대적 중요성을 결정할 수 있다.
또한, 제어장치(140)는 사용자에 의해 선택된 소정의 운전모드에 대응하여 건물의 필요 냉난방에너지 및 필요 환기량 등을 계산하며, 이 값들에 근거하여 루버(132)의 경사각, 제1 환기댐퍼(112) 및 제2 환기댐퍼(122)의 개폐여부 및 개폐정도를 계산한다. 한편, 전술한 바와 같이 이중외피 시스템(100)을 이용하여 자연채광을 도입하고자 할 경우에는 제어장치(140)에서 필요 실내조도가 계산되며, 이 값이 루버(132)의 경사각을 계산하는 데에 반영될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이중외피 시스템은 자연채광을 도입할 수 있을 뿐만 아니라 형광등의 점멸(on-off), 디밍(dimming) 등과 같이 실내 조명 시스템과도 연동될 수 있음은 물론이다.
제어장치(140)에는 '비용함수'가 미리 설정되어 있으며, '비용함수'는 각 실내환경 요소에 대해 쾌적 범위를 벗어나거나 에너지 사용량이 증가함에 따라 비용이 증가하는 것으로 처리한다. 제어장치(140)에서는 센서부(101)의 입력값과 이에 기초하여 제어장치(140)에서 수행된 시뮬레이션 결과 및 적응최적제어모델에 따라 비용함수를 최소화하는 제어변수를 결정함으로써 이중외피 시스템(100)의 제어비용을 최소화하도록 한다. 적응최적제어모델에 관해서는 이후 관련도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
한편, 일반적으로 건물에는 HVAC 시스템 등이 설치되어 냉난방이 이루어지며, 이 경우에는 이중외피 시스템(100)에 의해서만 실내환경이 조절되는 것이 아니므로, 제어장치(140)는 HVAC 시스템 등에 의해 공급되는 냉난방에너지 또는 환기량을 고려하여 이중외피 시스템에 의해 제공되어야 하는 필요 냉난방에너지 또는 필요 환기량을 계산한다.
전술한 바와 같이 실시간으로 이중외피 시스템(100)을 제어하기 위해 네트워크를 통해 제어장치(140)를 연결한 경우, 사용자 단말기(160)는 제어장치(140)와 직접 케이블을 통해 접속되도록 하거나 네트워크를 통해 제어장치(140)에 접근 가능하도록 구현된다. 또한, 도 1에 예시된 바와 같이, 제어장치(140)는 네트워크를 통해 정보 제공 장치(150)와 연결되고, 정보 제공 장치(150)는 제어장치(140)로부터 관련 데이터들(예를 들어, 시뮬레이션 결과, 이중외피 시스템(100)의 제어 상황, 적응최적제어모델에 따른 결정 결과 등 중 하나 이상)을 포스팅받고, 이를 네트워크에 접속된 사용자 단말기(160)로 제공할 수도 있다. 사용자 단말기(160)는 모니터링을 위한 표시부와 조작 패널을 구비할 수 있다. 사용자 단말기(160)는 네트워크를 통해 제어장치(140) 또는 정보 제공 장치(150)에 접속하여 필요한 동작을 수행할 수 있는 장치이면 족하며, 예를 들어 컴퓨터 장치, PDA(Personal Digital Assistant), 이동통신단말기 등이 이에 해당될 수 있다.
사용자는 네트워크를 통해 접속된 제어장치(140) 또는 정보 제공 장치(150)로 사용자 조작 명령(예를 들어, 운전모드 선택 등의 제어 명령)을 전송할 수 있다. 사용자 조작 명령이 정보 제공 장치(150)로 수신되는 경우, 정보 제공 장치(150)는 이를 제어장치(140)로 전송하여 사용자 명령에 따른 이중외피 시스템(100)의 제어가 이루어지도록 한다.
제어장치(140)로부터 전송된 제어신호에 대응하여 루버(132), 제1 환기댐퍼(112) 및 제2 환기댐퍼(122)와 같은 제어대상을 작동시키기 위해서는 제어대상마다 각각 구동모터를 포함하는 구동부(114, 124, 134)가 결합되어 있어야 한다. 제어대상에 따른 구동부(114, 124, 134)의 구체적인 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
루버(132) 등 각 제어대상에 구동부(114, 124, 134)가 결합되면, 제어장치(140)는 구동부(114, 124, 134)에 구동신호를 전송하고 구동부(114, 124, 134)는 이를 적절한 신호로 변환하여 루버(132)가 계산된 경사각을 이루도록 작동시키고 제1 환기댐퍼(112) 및 제2 환기댐퍼(122)가 각각 계산된 개페정도가 되도록 작동시킨다. 물론, 각 구동부(114, 124, 134)에 대한 제어를 위한 구동 제어부가 이중외피 시스템(100)에 더 구비될 수 있으며, 이 경우 구동 제어부는 제어장치(140)로부 터 수신된 제어신호에 따라 각 구동부에 구동신호를 입력할 수도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 제어장치(140)는 근래에 건물에서 사용 빈도가 증가되고 있는 홈네트워크와 연계하여 구성될 수 있다. 이 경우 사용자는 인터넷 등 네트워크에 연결된 사용자 단말기(160)를 통하여 자신의 기호를 반영하는 가중치 또는/및 운전모드 선택정보 등을 입력하고, 이는 사용자 단말기(160)에 네트워크로 연결된 홈네트워크 서버로 전달된다.
통상 홈네트워크 서버에는 실내외 환경변수 측정을 위한 센서 연결부가 형성될 수 있으며, 이 경우 홈네트워크 서버는 본 실시예에 따른 제어장치(140)의 일부가 될 수 있다.
이중외피 시스템(100)은 제1 외피(110), 제2 외피(120), 제1 환기댐퍼(112), 제2 환기댐퍼(122) 및 루버(132)의 작동에 따라 중공층(130)에서 다양한 기류의 흐름이 나타나고, 이는 중공층(30) 및 실내로의 열전달 특성에 지대한 영향을 미치게 된다. 따라서 상, 하부의 환기댐퍼 개폐정도에 따른 중공층(130)에서의 기류의 흐름을 수학적으로 해석할 필요가 있으며, 제1 환기댐퍼(112) 및 제2 환기댐퍼(122)의 개폐정도에 따른 기류의 이산적(discrete) 변화를 연속적으로 표현할 필요가 있다.
본 실시예는 이중외피 시스템(100)의 최적제어를 위해 실시간 보정되는 시뮬레이션 모델과 시스템의 성능을 향상시키기 위한 적응최적제어모델의 상호 이용 또는 개별적 이용이라는 특징을 가지고 있으므로, 이하 관련도면을 참조하여 각각에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 모델의 보정 과정을 나타낸 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중외피 실험세트를 예시한 도면이다. 도 4는 2차원 열적모델(thermal model)을 나타낸 도면이고, 도 5는 중공층 내의 기류모드를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 시뮬레이션 모델의 보정 과정을 설명함에 있어, 제어장치(140)에서 수행되는 경우를 중심으로 설명하지만, 동일한 과정이 정보 제공 장치(150)에 의해 수행되거나 각 장치에서 개별적으로 수행되어 상호 검증되도록 할 수 있다.
제어장치(140)는 시스템의 동특성(dynamic characteristic)을 고려하여 최적의 이중외피 시스템(100) 제어가 가능하도록 구현된다. 즉, 이중외피 시스템(100)의 성능을 극대화하고 최적설계 및 효율적 제어를 위해서는 이중외피의 동특성을 정확하고 빠르게 해석할 수 있어야 하며, 이를 통해 외기 및 내부 운전조건에 따른 시스템의 상태를 정확히 예측할 수 있다. 또한, 이를 위해, 제어장치(140)는 이중외피 시스템(100)에 관한 시뮬레이션 모델을 실시간 보정 및 업데이트함으로써 현재의 시스템 상태가 가장 잘 표현될 수 있도록 유지 관리한다.
도 3에는 본 실시예의 실험 및 검증을 위해 사용된 이중외피 실험 세트가 예시되어 있으며, 실험세트는 내외창 상하부에 총 4개의 환기댐퍼, 중공층 내부의 전동 루버, 내창 및 외창으로 구성되어 있으며, 각 지점에 풍향풍속계, 일사계, 풍속계, T-type 열전대 등이 실험을 위해 설치되었다.
시뮬레이션 모델은 이중외피 시스템의 반응을 설명하기 위한 수학적 모델로서 열적모델(thermal model)과 기류모델(airflow model)로 구성될 수 있다. 열적모델은 도 4에 예시된 바와 같이 이중외피에서 흡수, 반사되고 투과되는 태양 일사, 이중외피 및 중공층의 표면간 장파복사, 제1 외피(110) 및 제2 외피(120)와 루버(132) 표면에서의 대류열 전달 현상을 고려한 것이다. 도 4의 x1은 실외 유리창(제1 외피) 온도, x2는 실내 이중창(제2 외피)의 바깥쪽 온도, x3은 실내 이중창의 실내측 온도, x4는 루버 슬랫 온도, x5는 중공층 공기 온도, x6은 이중창 내의 중공충 공기 온도를 나타내며, hout, hca1, hca2, hca3, hca4, hin 각각은 대류열전달계수를 나타낸다.
기류모델은 도 5에 예시된 바와 같이 중공층에서 발생되는 10가지 기류 모드를 고려한 것이다.
도 5에서 실내 순환 모드인 (1)과 (2)는 중공층 온도와 실내온도의 차에 의해 발생되며, 중공층 내 기류 평균 속도(U ca )는 하기 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112008084222561-pat00013
여기서, u ca,b 는 중공층 기류 속도(m/s)를, OH는 환기댐퍼의 열린 높이(m)를, D는 중공층 깊이(m)를, g는 중력가속도(m/s2)를, L은 중공층 높이(m)를, f는 형태손실계수(무차원)를, x 5 는 중공층온도(K)를, x in 는 실내온도(K)를 각각 나타낸다.
또한, 실외 순환 모드인 (3)과 (4)에서 중공층 기류속도(u ca )는 온도차뿐 아니라 표면풍압의 영향을 받는다. 풍압(p w )은 베르누이 방정식에 의해 수학식 2와 같이 표현될 수 있으며, 풍압에 의한 기류량(Q ca,w )은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. 또한, 수학식 2와 3에 의해 산출되는 풍압에 의한 기류속도(u ca,w )는 수학식 4와 같다.
Figure 112008084222561-pat00014
Figure 112008084222561-pat00015
Figure 112008084222561-pat00016
여기서, C p 는 배출계수(무차원)를, ρ는 공기 밀도(kg/m3)를, u out 는 외부 풍속(m/s)을, c는 유량계수(무차원)를, n은 유량지수(무차원)를, A c 는 중공층 단면적(m2)을 각각 의미한다.
실외순환 모드에서 중공층 기류는 온도차와 표면 풍압의 영향을 동시에 받으므로 두 영향의 조합이 필요하며, 두 영향을 함께 고려한 기류량(Q ca )은 수학식 5와 같이 표현되며, 기류속도(u ca )는 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112008084222561-pat00017
Figure 112008084222561-pat00018
여기서, Q ca,b 는 온도차에 의한 중공층 기류량을 의미한다.
또한, 대각기류 모드인 (5) 내지 (8)에서 기류량(Q ca )과 중공층 기류 속도(u ca )는 수학식 7 및 8과 같이 각각 표현된다.
Figure 112008084222561-pat00019
Figure 112008084222561-pat00020
이에 비해, 기류모드 (9)는 복잡한 모델링과 자세한 설명이 필요하므로 단순화한 수학적 모델은 생략하기로 하되, 전술한 내용을 바탕으로 기류모드 (9)(및/또는 각 기류모드)는 수학식 9와 같은 연속 상태 방정식(continuous state space) 형태의 시뮬레이션 모델로 표현될 수 있다.
Figure 112008084222561-pat00021
여기서, x는 상태변수 (state vector)를, A는 상태행렬 (state matrix)을, u는 입력벡터 (input vector)를, b는 부하벡터 (load vector)를 각각 의미한다.
이하, 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 시뮬레이션 모델의 실시간 보정 및 업데이트 과정을 설명한다.
단계 210에서 제어장치(140)는 센서부(101)에 의해 센싱된 센싱신호를 수집한다. 센서부(101)는 생성한 센싱신호를 예를 들어 유/무선 네트워크를 통해 제어 장치(140)로 전송할 수 있다. 실시간 또는 일정 주기마다 수집된 데이터는 실시간 계수 추정 및 성능 최적화 과정에 이용되도록 하기 위해 가공될 수 있다.
또한, 제어장치(140)는 단계 220에서 기상데이터를 미리 저장된 시뮬레이션 모델에 적용한 시뮬레이션 출력값을 산출한다. 여기서, 기상데이터는 과거에 누적된 기상에 관한 정보일 수 있으며, 예를 들어, 제공받고자 하는 항목(예를 들어, 기온, 습도, 풍속, 풍향 등)에 대해 기간을 지정하여 기상청 등으로부터 제공받은 정보일 수 있다.
단계 230에서 제어장치(140)는 목적함수를 이용한 실시간 계수 추정을 수행한다. 실시간 계수 추정은 일정 샘플링 간격동안 측정된 값과 시뮬레이션 모델에 의해 예측된 값의 차이를 최소화하는 미지계수를 최적화하는 알고리즘을 이용하여 추정하는 과정으로 정의될 수 있다. 실시간 계수 추정은 개발된 수학적 모델을 실제 시스템의 반응(behavior)을 가장 적합하게 예측할 수 있도록 갱신(보정 또는 업데이트)하고, 이는 결국 모델의 정확도를 향상시키며, 보다 정확한 시스템 성능 예측이 가능하도록 한다.
실시간 계수 추정 기법은 실제 측정값(단계 210에 의해 수집된 측정 데이터)과 수학적 모델(시뮬레이션 모델)의 예측값(단계 220에 의해 산출된 시뮬레이션 출력값)간의 차이를 최소화하는 미지계수(unknown parameters)를 추정하는 것으로, 미지계수(ξ)는 목적함수(S)를 최소화하도록 하는 수학식 10에 의해 산출된다.
Figure 112008084222561-pat00022
s.t. : lb≤ξ≤ub
여기서, Yk는 관측벡터 (observation vector)를, Ψk는 이산상태공간의 상태 벡터(discrete state vector in discrete state space)를, z는 관측 횟수(number of observations)를, ξ은 미지 계수 벡터 (vector of unknown parameters)를, lb는 미지 계수의 하한 벡터(lower bounds of the unknown parameters)를, ub는 미지 계수의 상한 벡터 (upper bounds of the unknown parameters)를 각각 의미한다.
또한, 상술한 목적함수는 망각지수(forgetting factor) λ를 더 포함하여 수학식 11과 같이 표현될 수도 있다.
Figure 112008084222561-pat00023
s.t. : lb≤ξ≤ub
여기서, 망각 지수는 0<λ≤1 의 값으로 지정될 수 있으며, 1보다 작은 양수로 지정된 경우 최근 데이터들이 상대적으로 가중되어 산출되어진다.
앞서 설명한 수학식 9로 표현되는 이중외피 시스템(100)의 수학적 모델은 대류열전달계수(hout, hca1, hca2, hca3, hca4, hin - 도 3 참조), 형태손실계수(수학식 1 참조) 및 유량계수(flow coefficient)와 유량지수(flow exponent)(수학식 3, 7 및 8 참조)와 같은 미지계수를 포함한다. 이러한 미지계수들은 해석적 또는 종래기술에 따른 어떠한 방법에 의해 계산될 수 없으므로 본 실시예에서는 실시간 계수 추정 기법에 의해 계산하는 새로운 개념이 제안된다.
제어장치(140)는 단계 240에서 상술한 과정에 의해 계산된 미지계수들을 이용하여 시뮬레이션 모델을 보정한다. 단계 240에 의해 보정된 시뮬레이션 모델은 이후 수행되는 기상데이터를 이용한 시뮬레이션 출력값 산출시 이용됨으로써 시뮬레이션 모델이 보다 정확해지고, 따라서 정확한 시스템 성능 예측이 가능하도록 한다.
상술한 바와 같이, 이중외피 시스템(100)에 대한 시뮬레이션 모델은 열적모델과 기류모델로 구성되어 있다. 중공층(130)에서 일어나는 기류는 기류모드에 따른 표면 풍압, 공기온도차에 의한 부력에 의해 발생된다. 공기 온도차에 의한 부력으로 기류가 일어나는 경우 기류 모델과 열적 모델의 결합이 중요한 고려사항이 된다.
따라서, 본 실시예에서는 기류모델과 열적모델이 순차적으로 실행되는 모델(decoupled approach 또는 ping-pong method)을 또한 제안한다.
본 실시예에 따를 때, 실시간 업데이트되는 측정 데이터, 특히 현재 시스템의 상태변수를 이용할 수 있어 이전 시간 단계에서의 열적 모델 계산 결과를 현재 시간 단계의 기류모델에 적용할 필요가 없다는 장점이 있다. 여기서, 기류모델 계산 결과 중 미지계수 중 하나 이상의 값들(예를 들어, 형태손실계수, 유량계수, 유량지수 등)이 열적모델 계산을 위해 제공될 수 있다. 또한, 기류모델과 열적모델의 결합에서 반복계산 과정은 생략되지만, 각 모델 계산 과정에서 반복 계산을 통해 최적 미지계수를 추정하는 과정이 포함될 수 있다.
또한, 미지계수는 기류모드에 따라 다르게 고려되어야 한다. 예를 들어, 기류모드(AFR)가 제1 주기(0 ~ T) 에서는 기류모드 (1), 제2 주기(T ~ 2T) 에서는 기류모드 (3), 제3 주기(2T ~ 3T) 에서는 기류모드 (3) 등으로 변한다고 가정한다. 이 경우, 실시간 계수 추정에 따를 때, 제1 주기에서 기류모드 (1)에 가장 적합한 미지계수가 추정되어, 추정된 미지계수가 제2 주기에서의 이중외피 시스템(100) 예측에 사용된다. 그러나, 앞서 가정한 바와 같이 제2 주기에서 기류모드 (3)으로 변화되면 예측한 미지계수로 기류모드 (3)인 제2 주기의 시스템 반응이 예측될 수 있다. 이러한 문제는 정확한 예측에 불리하므로, 이를 해결하기 위해 각 기류모드마다 전술한 미지계수들이 지정될 수 있다.
전술한 시뮬레이션 모델의 보정 방법에 의해 앞서 예시한 실험세트에서의 측정 및 검증결과가 표 1에 예시되어 있다. 실험 시간은 30시간으로 지정하고, 데이터 샘플링 간격은 1분이며, 계수 추정은 과거 30분 데이터로 다음 시계(time horizon, 15분)를 예측하도록 하였으며, 실험기간 중 기류모드 및 루버 각도는 임의로 변경하였다.
표 1. 중공층 기류 속도 차이의 비교
기류모드
(도 5 참조)		 평균 기류 속도차(cm/s)
종래의 오프라인 보정법 본 실시예에 따른 보정법
(1) 11.39 2.98
(3) 9.09 1.56
(5) 해당사항없음 해당사항없음
(6) 해당사항없음 해당사항없음
(7) 9.70 0.89
(8) 17.61 2.42
표 1에서 보여지는 바와 같이, 본 실시예에 따른 시뮬레이션 모델 보정법에 의할 때, 종래 기술에 비해 더욱 정확한 시뮬레이션 모델 유지 관리가 가능함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중외피 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
제어장치(140)는 미리 설정된 복수의 운전모드(예를 들어, 시각적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드, 재실자 선택모드, 야간모드, 환기모드 등 중 하나 이상) 중 어느 하나의 운전모드(또는 지정조건에 따라 개별 적용되는 복수의 운전모드)로 설정되고, 이에 따라 이중외피 시스템(100)을 제어한다. 건물은 사람이 거주하는 공간이므로, 재실자의 쾌적과 에너지 절약이 모두 고려되어야 하며, 따라서 이중외피 시스템(100)을 최적의 상태로 제어하기 위해서는 단일의 기준치보다는 제어 목적에 따라 쾌적모드, 에너지 절약모드 등 제어변수에 가중치를 부여한 운전모드에 따라 제어가 이루어지도록 할 필요가 있다.
도 6을 참조하면, 단계 610에서 제어장치(140)는 센서부(101)에 의해 센싱된 센싱신호를 수집한다. 전술한 바와 같이, 센서부(101)는 생성한 센싱신호를 예 를 들어 유/무선 네트워크를 통해 제어장치(140)로 전송할 수 있다. 센서부(101)는 이하에서 설명될 각 정보들에 대응하여 다양한 센서가 이중외피 시스템(100)의 해당 위치에 설치될 수 있다. 여기서, 단계 610은 앞서 도 2를 참조하여 설명한 단계 210과 동일한 단계이거나 독립된 단계일 수 있다. 실시간 또는 일정 주기마다 수집된 데이터는 실시간 계수 추정 및 성능 최적화 과정에 이용되도록 하기 위해 가공될 수 있다.
센서부(101)로부터 수집되는 센싱신호는 이중외피 시스템(100)을 제어하기 위해 요구되는 외기온도, 일사량, 실내온도에 관한 정보를 가지는 신호일 수 있다. 물론, 필요시 외기습도, 풍향, 풍속 등의 정보를 가지는 신호가 더 수집될 수도 있다.
제어장치(140)는 수집된 측정 데이터(즉, 센싱신호를 이용하여 해석한 정보)를 이용하여 필요한 데이터(예를 들어, 건물의 냉난방부하, PMV(Predicted Mean Vote) 등)를 계산할 수 있다. 즉, 외기온도, 일사량, 실내온도로부터 소정의 시간(time horizon) 동안 건물에서 냉난방을 위해 요구되는 부하(예를 들어, 실내환경 기준치에 따른 부하)가 계산되고, 요구되는 냉난방 부하를 제거하기 위해 이중외피 시스템(100)의 환기댐퍼 또는 루버의 작동여부를 결정할 수 있다. 또한, 실내 조도 및 실내의 표면 휘도가 측정되거나, 측정값(또는, 센싱신호)에 근거하여 계산된다. 여기서, PMV는 실내환경 정보로부터 계산하거나, 측정장치를 사용하여 측정할 수 있으며, 건물의 실내환경이 쾌적범위로 형성될 수 있도록 제어하기 위한 기준치가 된다.
물론, 보다 정밀한 제어를 위해 다양한 환경변수에 관한 정보들을 추가로 입력받을 수 있으며, 이를 위해 천공상태, 건물의 방향, 이중외피를 구성하는 유리의 투과율, 루버를 구성하는 재질의 흡수율, 건물의 실내의 면적, 높이, 건물의 실내 마감의 반사율 등에 관한 데이터가 미리 저장될 수 있다. 각 입력값들은 이중외피 시스템(100)의 상태를 판단할 수 있는 각종 값들과 건물의 냉난방부하를 보다 정확하게 계산하기 위해 이용될 수 있으며, 여기에서 명시하지 않은 환경변수들도 입력값에 더 포함될 수 있음은 물론이다.
단계 620에서 제어장치(140)는 현재 설정되어있는 운전모드에 따른 건물의 냉난방 에너지, 필요 환기량 및 필요 실내조도를 계산한다.
현재 설정된 운전모드에 따라 실내환경 기준치의 우선순위는 달라질 수 있다. 예를 들어 쾌적모드에서는 냉난방, 환기가 동시에 이루어져 건물의 사용자가 쾌적감을 느끼는 온도, 습도, 이산화탄소 범위의 실내환경을 생성할 수 있으며, 에너지 절약모드에서는 실내환경이 너무 덥거나 너무 추워서 건물에 영향을 미치지 않도록 하는 범위 내에서 사용자의 쾌적과는 무관한 실내환경이 생성될 수 있다. 또한, 예를 들어 환기모드는 외피를 자연형 환기 조절 시스템의 일부분으로 이용하는 운전모드로서, 그 용도에 부합하도록 실내공기질 모드, 환기쾌적 모드 또는 실내공기질 제어 모드 등으로 명명될 수도 있을 것이다.
즉, 실내외 환경변수의 입력값으로부터 냉난방부하를 계산한 후, 곧바로 이중외피 시스템의 각 구성요소를 작동시키는 것이 아니라, 제어장치(140)는 설정된 운전모드를 반영하여 필요한 만큼의 냉난방에너지 및 환기량을 계산한다. 이로 인 해 실내외 환경변수뿐만 아니라 운전모드의 형태로 반영되는 사용자의 기호에 따라 이중외피 시스템(100)이 제어될 수 있게 된다.
한편, 이중외피 시스템(100)이 설치된 건물에 HVAC(heating ventilating air-conditioning) 시스템과 같은 냉난방 시스템에 의해 냉난방 또는 환기가 이루어지고 있는 경우에는 이중외피 시스템(100)에 의해 공급되어야 하는 필요 냉난방에너지 또는 필요 환기량은 냉난방 시스템에 의해 공급되는 값을 제외하고 계산한다. 이 경우 이중외피 시스템은 냉난방 시스템을 주시스템으로 한 보조시스템의 역할을 하게 된다.
단계 630에서, 제어장치(140)는 이중외피 시스템(100)을 설정된 운전모드에 따라 제어하도록 하기 위한 최적 제어 변수를 업데이트하기 위해 지정된 시간이 경과하였는지 판단한다. 만일, 지정된 시간이 경과하였다면 단계 640으로 진행하여 최적 제어 변수를 재결정하여 업데이트되도록 한다. 단계 630 및 단계 640은 단계 620 이전에 수행될 수도 있다.
여기서, 최적 제어 변수는 이중외피 시스템(100)의 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 비용함수가 최소화되도록 하는 제어 변수를 의미하며, 일정시간 간격마다 반복하여 현재의 외기 및 제어모드에 적합하도록 업데이트된다. 비용함수는 에너지, 시쾌적, 열쾌적, 환기성능 등에 관한 유틸리티 함수일 수 있다. 예를 들어, 에너지 모드의 경우 이중외피를 통한 건물의 에너지 사용량으로서, 이중외피로 인해 건물의 냉난방부하가 증가하면 비용함수의 값도 증가하게 된다. 다른 예로서, 열쾌적 모드의 경우, 재실자의 PPD값이 증가함에 따라 비용함수의 값이 증가한다.
비용함수가 최소화되는 제어변수를 결정하기 위한 수식은 하기 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008084222561-pat00024
여기서, AFR은 기류 모드를, OR은 환기댐퍼 개구율을, φ는 루버 슬랫 각도를 각각 의미한다.
전술한 바와 같이, 이중외피 시스템의 성능부문은 에너지, 시쾌적, 열쾌적 및 환기성능 등으로 나누어질 수 있다.
에너지 부문의 비용요소(cost elements)는 시스템을 투과하여 실내로 유입된 일사량, 실내측 유리창 표면에서 일어나는 대류, 복사 열전달로 인한 실내측의 열획득(열손실), 중공층 공기의 유용한 사용으로 인한 냉난방부하 감소, 자연채광으로 인한 인공조명의 감소(daylighting autonomy) 등이 있을 수 있다.
시쾌적 부문의 비용요소는 자연채광 조도(daylight illuminance), 자연채광의 균제도(uniformity), 실내측 유리창 표면의 평균휘도, 루버 슬랫 사이로 실외측을 조망할 수 있는 실외 가시성(outward visibility) 등이 있을 수 있다.
열쾌적 부문의 비용요소로서 PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied) 등이 고려될 수 있으며, 환기성능의 비용요소로는 외피를 통한 외기도입량 등이 고려될 수 있다.
상술한 네 가지 부문의 비용 요소를 토대로 하나의 실시예인 하기의 수학식 13이 비용함수 내에 표현될 수 있다.
Figure 112008084222561-pat00025
여기서, r i 는 상대 가중계수(relative weighting factors, 무차원)를, Q cv,rd 는 유리창 표면의 대류 및 복사에 의한 실내측 열획득율(W)을, Q sol,trans 는 실내측으로 투과된 일사(W)를, Q air 는 중공층 공기의 유동으로 인한 실내측 열획득율(W)을, Q DA 는 자연채광으로 인한 인공조명 에너지 감소량(W)을, pf i 는 자승 벌칙함수(square penalty function, 무차원)를, E avg 는 작업면의 평균 자연채광 조도(Lux)를, U는 균제도(uniformity, %)를, L avg 는 실내측 유리표면의 평균 휘도(cd/m2)를, φ는 루버 슬랫 각도(0°: 수평, 0°∼90°: 하늘로 향한 방향, -80°∼0°: 지면으로 향한 방향)를, PPD는 예상불만족율(%)을, CMH는 외피를 통한 외기도입량(m3/h)을 각각 의미한다.
단계 650에서 제어장치(140)는 최적 제어 변수에 부합하도록 루버의 경사 각, 제1 환기댐퍼 및 제2 환기댐퍼의 개폐정도를 계산한다. 물론, 최적 제어 변수에 의해 루버의 경사각, 제1 환기댐퍼 및 제2 환기댐퍼 중 일부만이 제어되도록 결정된 경우라면 이에 상응하는 구성요소들에 대해서만 계산될 수도 있다.
이는, 각 운전모드별로 필요 냉난방에너지와 필요 환기량이 달라지고, 건물에 HVAC 시스템과 같은 냉난방 시스템이 설치된 경우 이중외피 시스템은 보조시스템으로서 제어되는 것이기 때문에, 제어부에 설정되어 있는 운전모드 및 건물 상황에 따라 계산값이 달라지게 된다.
한편, 이중외피 시스템이 설치되는 지역이 달라져 건물 사용자의 쾌적범위, 에너지 절약 기준, 재실자 기호 등이 바뀌게 될 경우에는 제어부에 저장되어 있는 운전모드의 기준치들을 변경하거나, 새로운 운전모드를 추가하거나, 불필요한 운전모드를 제거하는 등의 방법으로 본 발명에 따른 이중외피 시스템의 제어가 이루어질 수 있다.
예를 들어, 설정된 운전모드가 시각적 쾌적모드인 경우로서 이중외피 시스템(100)을 이용하여 자연채광을 도입하고자 할 경우에는 실내의 조도를 측정하고, 실내에 필요한 조도를 계산하여 루버의 차광정도를 조절하도록 할 수 있다.
또한, 제어장치(140)는 건물의 실내 표면의 휘도를 계산하거나 센서부(101)로부터 입력값을 수신하여, 결과적으로 재실자의 시각적 쾌적 여부를 판단할 수도 있다. 즉, 외기온도, 외기습도, 풍향, 풍속, 일사량, 실내온도 등을 측정하는 단계(단계 610)에서 실내조도 및 실내 표면의 휘도를 측정 또는 계산하고, 운전모드에 대응하여 필요 냉난방에너지 및 필요 환기량을 계산하는 단계(단계 620)에서 건 물의 필요 실내조도를 계산한 후, 이에 따라 차광부의 차광정도, 즉 루버의 경사각을 계산함으로써 자연채광을 실내에 도입할 수 있다.
사용자가 실시간으로 이중외피 시스템을 제어할 수 있도록 하기 위해서는 사용자의 위치에 관계없이 제어장치(140)에 접근(또는 정보 제공 장치(150)를 통한 간접적 접근)할 수 있어야 한다. 따라서, 전술한 바와 같이, 제어장치(140)는 인터넷, 인트라넷, 무선 인터넷 등의 네트워크를 통해 접근가능하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 단계 660에서 제어장치(140)는 네트워크를 통해 접속된 사용자 단말기(160)로 관련 데이터들(예를 들어, 센서부로부터 수집된 데이터, 시뮬레이션 결과, 이중외피 시스템(100)의 제어 상황, 단계 650에서 계산된 결과 데이터, 적응최적제어모델에 따른 결정 결과 등 중 하나 이상)을 제공하거나, 네트워크를 통해 연결된 정보 제공 장치(150)로 포스팅하여 정보 제공 장치(150)에 접속한 사용자가 해당 데이터들을 제공받을 수 있도록 한다. 또한, 사용자 단말기(160)로부터 운전 모드에 대한 변경 명령이 입력되면, 제어장치(140)는 상응하는 운전 모드로 변경하여 제어 동작을 수행하게 됨은 앞서 설명한 바와 같다.
제어장치(140)(또는 정보 제공 장치(150))에 사용자 단말기(160)가 유/무선 네트워크를 통해 접근 가능하므로, 사용자는 실외에 있을 때에도 이중외피 시스템(100)에서 입력되는 값 및 루버나 환기댐퍼의 작동 현황 등을 모니터링할 수 있고, 필요에 따라서는 운전모드를 변경하거나, 직접 이중외피 시스템(100)을 원하는 방식으로 제어할 수 있게 되므로, 실시간으로 제어가 가능하게 된다. 네트워크를 통해 접근하는 과정에서 제어장치(140)는 적절한 권한 체계를 사용자별로 설정하 여, 사용자 간의 제어 충돌이 일어나지 않도록 할 수 있다.
단계 670에서 제어장치(140)는 단계 650에서 계산된 루버의 경사각, 제1 및 제2 환기댐퍼의 개폐 정도에 상응하도록 이중외피 시스템(100)이 제어되도록 상응하는 제어신호를 생성하여 이중외피 시스템(100)으로 전송한다. 상술한 제어 신호에 따라 이중외피 시스템(100)이 제어됨은 앞서 설명한 바와 같다.
제어장치(140)에서 루버의 경사각과 환기댐퍼의 개폐정도가 계산된 후에 곧바로 해당 제어대상을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 전송할 수도 있으나, 계산된 값에 근거하여 제어장치(140) 내에서 시뮬레이션을 실시하여 원하는 실내환경이 생성되는지 여부를 확인한 후에 제어 신호를 생성하여 전송할 수도 있다. 만일, 시뮬레이션 결과 미리 지정된 오차범위를 넘어서는 경우에는 다시 루버의 경사각과 환기댐퍼의 개폐정도를 조정(fine tuning)하여 그 값이 소정 범위의 오차범위 이내로 수렴될 때까지 반복 계산한 후 제어 신호를 생성하여 전송할 수도 있다. 이와 같이 제어대상을 구동시키기 전에 시뮬레이션 및 반복계산을 통해 계산값을 조정함으로써, 이중외피 시스템에 제어가 보다 안정적으로 이루어질 수 있다.
상술한 시뮬레이션 모델의 보정 방법은 소프트웨어 프로그램 등으로 구현될 수도 있다. 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 시뮬레이션 모델의 보정 방법을 구현한다. 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중외피 시스템의 제어를 위한 전체 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 모델의 보정 과정을 나타낸 순서도.
도 3은 2차원 열적모델(thermal model)을 나타낸 도면.
도 4는 중공층 내의 기류모드를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중외피 실험세트를 예시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중외피 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 이중외피 시스템 101 : 센서부
110 : 제1 외피 112 : 제1 환기댐퍼
114 : 제1 환기댐퍼 구동부 120 : 제2 외피
122 : 제2 환기댐퍼 124 : 제2 환기댐퍼 구동부
130 : 중공층 132 : 루버
134 : 루버 구동부 140 : 제어장치
150 : 정보 제공 장치 160 : 사용자 단말기

Claims (42)

  1. 환기부와 차광부가 설치되며, 제1 외피와 제2 외피로 이루어지는 건물의 이중외피를 이용하여, 미리 설정된 하나 이상의 운전모드에 따라 상기 건물의 실내 환경을 제어하는 시스템으로서,
    상기 환기부 및 상기 차광부 중 하나 이상을 작동시키는 구동부;
    상기 환기부의 개폐여부, 상기 환기부의 개구율, 상기 차광부의 개폐여부 및 상기 차광부의 개구율로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상에 대한 제어비용을 연산하고, 연산된 제어비용 중 최저 제어비용에서의 제어변수를 최적제어변수로 결정하는 제어변수 결정부; 및
    상기 최적제어변수에 따라 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 최적제어변수는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내환경 제어 시스템.
    Figure 112010065021807-pat00044
    여기서, 상기 AFR은 기류 모드를 나타내고, 상기 OR은 상기 환기부의 개구율을 나타내며, 상기 φ는 상기 차광부의 슬랫 각도임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최적제어변수의 결정은 미리 지정된 시간마다 반복되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 최적제어변수는 하기 수학식을 더 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내환경 제어 시스템.
    Figure 112010065021807-pat00027
    여기서, ri 는 상대 가중계수(relative weighting factors)를, Qcv,rd 는 유리창 표면의 대류 및 복사에 의한 실내측 열획득율을, Qsol,trans 는 실내측으로 투과된 일사를, Qair 는 중공층 공기의 유동으로 인한 실내측 열획득율을, QDA 는 자연채광으로 인한 인공조명 에너지 감소량을, pfi 는 자승 벌칙함수(square penalty function)를, Eavg 는 작업면의 평균 자연채광 조도(Lux)를, U는 균제도(uniformity)를, Lavg 는 실내측 유리표면의 평균 휘도를, φ는 루버 슬랫 각도를, PPD는 예상불만족율을, CMH는 외피를 통한 외기도입량을 각각 의미함.
  5. 제1항에 있어서
    상기 제1 외피, 상기 제2 외피 및 상기 건물의 실내 중 하나 이상에 결합되어 센싱 신호를 생성하는 하나 이상의 센서부; 및
    미리 저장된 시뮬레이션 모델에서의 출력값과 상기 센싱 신호에 따른 측정값 간의 차이로 표현되는 목적함수가 최소화되는 미지계수를 연산하여 상기 시뮬레이션 모델을 보정하는 보정부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 보정된 시뮬레이션 모델을 참조하여 상기 구동부가 제어되도록 하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보정부는 각각 지정된 시간마다 연산을 재수행하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 상기 제1 외피와 상기 제2 외피 사이의 공기의 흐름을 해석하기 위한 기류 모델(airflow model)을 포함하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 상기 제1 외피와 상기 제2 외피 사이의 전열 해석을 위한 열적 모델(thermal model)을 포함하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 기류 모델(airflow model) 및 열적 모델(thermal model)을 포함하되, 기류모델 해석에 의해 산출된 형태손실계수, 유량계수 및 유량지수에 대한 계수값이 열적 모델 해석을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 목적 함수는 최소화되는 미지계수를 연산하기 위하여 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내환경 제어 시스템.
    Figure 112008084222561-pat00028
    s.t. : lb≤ξ≤ub
    여기서, 상기 Yk는 관측벡터, 상기 Ψk는 이산상태공간의 상태 벡터, 상기 z는 관측 횟수, 상기 ξ는 미지 계수 벡터, 상기 lb는 미지 계수의 하한 벡터이며, 상기 ub는 미지 계수의 상한 벡터임.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 목적 함수는 망각지수(forgetting factor) λ를 더 포함하여 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내환경 제어 시스템.
    Figure 112008084222561-pat00029
    s.t. : lb≤ξ≤ub
    여기서, 상기 망각 지수는 0 초과 및 1 이하의 값 중 어느 하나의 값으로 지정됨.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델에 따른 시뮬레이션 결과, 상기 제어비용의 연산 결과 및 상기 구동부의 제어 결과 중 하나 이상을 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기에 제공하는 송신부;
    상기 사용자 단말기로부터 네트워크를 통해 사용자 조작 명령을 수신하는 수신부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 사용자 조작 명령에 부합하는 운전모드에 따른 제어모델로 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 센서부는 실내 온도, 실내 습도, 외기 온도, 외기 습도, 직달 일사량, 산란 일사량, 실외 조도 및 실내 조도로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 감지하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 운전모드는, 시(視)적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드, 재실자 선택모드, 야간모드 및 환기모드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 차광부는 상기 제1 외피와 상기 제2 외피 사이에 설치되는 차양장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  16. 제1 외피와 제2 외피로 이루어지는 이중외피, 센서부 및 구동부를 포함하여 건물에 설치된 이중외피 시스템을 이용하여 상기 건물의 실내 환경을 제어하는 시스템으로서,
    상기 환기부의 개폐여부, 상기 환기부의 개구율, 상기 차광부의 개폐여부 및 상기 차광부의 개구율로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상에 대한 제어비용을 연산하고, 연산된 제어비용 중 최저 제어비용에서의 제어변수를 최적제어변수로 결정하는 제어변수 결정부; 및
    상기 최적제어변수에 따라 상기 구동부를 제어하기 위한 제어 신호를 네트워크를 통해 전송하는 제어부를 포함하되,
    상기 이중외피는 환기부와 차광부가 설치되고, 상기 센서부는 상기 제1 외피, 제2 외피 및 상기 건물의 실내 중 하나 이상에 결합되어 센싱 신호를 생성하여 전송하며, 상기 구동부는 상기 제어 신호에 따라 상기 환기부 및 상기 차광부 중 하나 이상을 작동시키고,
    상기 최적제어변수는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내환경 제어 시스템.
    Figure 112010065021807-pat00045
    여기서, 상기 AFR은 기류 모드를 나타내고, 상기 OR은 상기 환기부의 개구율을 나타내며, 상기 φ는 상기 차광부의 슬랫 각도임.
  17. 제16항에 있어서
    상기 센서부로부터 네트워크를 통해 센싱 신호를 수신하는 수신부; 및
    미리 저장된 시뮬레이션 모델에서의 출력값과 상기 센싱 신호에 따른 측정값 간의 차이로 표현되는 목적함수가 최소화되는 미지계수를 연산하여 상기 시뮬레이션 모델을 보정하는 보정부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 보정된 시뮬레이션 모델을 참조하여 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 최적제어변수의 결정은 미리 지정된 시간마다 반복되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  19. 삭제
  20. 제16항에 있어서,
    상기 최적제어변수는 하기 수학식을 더 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내환경 제어 시스템.
    Figure 112010065021807-pat00031
    여기서, ri 는 상대 가중계수(relative weighting factors)를, Qcv,rd 는 유리창 표면의 대류 및 복사에 의한 실내측 열획득율을, Qsol,trans 는 실내측으로 투과된 일사를, Qair 는 중공층 공기의 유동으로 인한 실내측 열획득율을, QDA 는 자연채광으로 인한 인공조명 에너지 감소량을, pfi 는 자승 벌칙함수(square penalty function)를, Eavg 는 작업면의 평균 자연채광 조도(Lux)를, U는 균제도(uniformity)를, Lavg 는 실내측 유리표면의 평균 휘도를, φ는 루버 슬랫 각도를, PPD는 예상불만족율을, CMH는 외피를 통한 외기도입량을 각각 의미함.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 보정부는 각각 지정된 시간마다 연산을 재수행하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 상기 제1 외피와 상기 제2 외피 사이의 공기의 흐름을 해석하기 위한 기류 모델(airflow model)을 포함하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 상기 제1 외피와 상기 제2 외피 사이의 전열 해석 을 위한 열적 모델(thermal model)을 포함하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 기류 모델(airflow model) 및 열적 모델(thermal model)을 포함하되, 기류모델 해석에 의해 산출된 형태손실계수, 유량계수 및 유량지수에 대한 계수값이 열적 모델 해석을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 목적 함수는 최소화되는 미지계수를 연산하기 위하여 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내환경 제어 시스템.
    Figure 112008084222561-pat00032
    s.t. : lb≤ξ≤ub
    여기서, 상기 Yk는 관측벡터, 상기 Ψk는 이산상태공간의 상태 벡터, 상기 z는 관측 횟수, 상기 ξ는 미지 계수 벡터, 상기 lb는 미지 계수의 하한 벡터이며, 상기 ub는 미지 계수의 상한 벡터임.
  26. 제17항에 있어서,
    상기 목적 함수는 망각지수(forgetting factor) λ를 더 포함하여 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 건물의 실내환경 제어 시스템.
    Figure 112008084222561-pat00033
    s.t. : lb≤ξ≤ub
    여기서, 상기 망각 지수는 0 초과 및 1 이하의 값 중 어느 하나의 값으로 지정됨.
  27. 제17항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델의 보정 결과, 시뮬레이션 결과 및 상기 구동부의 구동 결과 중 하나 이상을 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기에 제공하는 송신부; 및
    네트워크를 통해 상기 사용자 단말기로부터 사용자 조작 명령을 수신하는 수신부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 사용자 조작 명령에 부합하는 운전모드에 따른 제어모 델의 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  28. 제17항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델에 따른 보정 결과, 시뮬레이션 결과 및 상기 구동부의 구동 결과 중 하나 이상의 결과 정보를 네트워크를 통해 연결된 정보 제공 장치로 전송하는 송신부; 및
    상기 정보 제공 장치로부터 네트워크를 통해 수신되는 사용자 조작 명령을 수신하는 수신부를 더 포함하되,
    상기 정보 제공 장치는 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기로 상기 결과 정보를 제공하고, 상기 사용자 단말기로부터 사용자 조작 명령을 수신하여 상기 수신부로 전송하며,
    상기 제어부는 상기 사용자 조작 명령에 부합하는 운전모드에 따른 제어모델의 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 건물의 실내 환경 제어 시스템.
  29. 환기부와 차광부가 설치되며, 제1 외피와 제2 외피로 이루어지는 건물의 이중외피 시스템을 제어하는 방법으로서,
    (a) 상기 환기부의 개폐여부, 상기 환기부의 개구율, 상기 차광부의 개폐여부 및 상기 차광부의 개구율로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상에 대한 제어비용을 연산하는 단계; 및
    (b) 연산된 제어비용 중 최저 제어비용에서의 제어변수를 최적제어변수로 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 최적제어변수에 따라 상기 환기부와 상기 차광부 중 하나 이상을 작동시키는 구동부가 제어되며,
    상기 최적제어변수는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
    Figure 112010065021807-pat00046
    여기서, 상기 AFR은 기류 모드를 나타내고, 상기 OR은 상기 환기부의 개구율을 나타내며, 상기 φ는 상기 차광부의 슬랫 각도임.
  30. 제29항에 있어서,
    (c) 미리 저장된 시뮬레이션 모델에서의 출력값과 센서부에 의해 센싱된 센싱 신호에 따른 측정값 간의 차이로 표현되는 목적함수가 최소화되는 미지계수를 연산하는 단계; 및
    (d) 상기 연산된 미지계수를 이용하여 상기 시뮬레이션 모델을 보정하는 단계가 상기 단계 (a) 이전에 수행되되,
    상기 보정된 시뮬레이션 모델을 참조하여 미리 지정된 제어모델에 따라 상기 구동부가 제어되는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 단계 (a) 내지 상기 단계 (d)는 지정된 시간마다 재수행하는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
  32. 삭제
  33. 제29항에 있어서,
    상기 최적제어변수는 하기 수학식을 더 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
    Figure 112010065021807-pat00035
    여기서, ri 는 상대 가중계수(relative weighting factors)를, Qcv,rd 는 유리창 표면의 대류 및 복사에 의한 실내측 열획득율을, Qsol,trans 는 실내측으로 투과된 일사를, Qair 는 중공층 공기의 유동으로 인한 실내측 열획득율을, QDA 는 자연채광으로 인한 인공조명 에너지 감소량을, pfi 는 자승 벌칙함수(square penalty function)를, Eavg 는 작업면의 평균 자연채광 조도(Lux)를, U는 균제도(uniformity)를, Lavg 는 실내측 유리표면의 평균 휘도를, φ는 루버 슬랫 각도를, PPD는 예상불만족율을, CMH는 외피를 통한 외기도입량을 각각 의미함.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 상기 제1 외피와 상기 제2 외피 사이의 공기의 흐름을 해석하기 위한 기류 모델(airflow model)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
  35. 제31항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 상기 제1 외피와 상기 제2 외피 사이의 전열 해석을 위한 열적 모델(thermal model)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
  36. 제31항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델은 기류 모델(airflow model) 및 열적 모델(thermal model)을 포함하되, 기류모델 해석에 의해 산출된 형태손실계수, 유량계수 및 유량지수에 대한 계수값이 열적 모델 해석을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
  37. 제31항에 있어서,
    상기 목적 함수는 최소화되는 미지계수를 연산하기 위하여 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
    Figure 112008084222561-pat00036
    s.t. : lb≤ξ≤ub
    여기서, 상기 Yk는 관측벡터, 상기 Ψk는 이산상태공간의 상태 벡터, 상기 z는 관측 횟수, 상기 ξ는 미지 계수 벡터, 상기 lb는 미지 계수의 하한 벡터이며, 상기 ub는 미지 계수의 상한 벡터임.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 목적 함수는 망각지수(forgetting factor) λ를 더 포함하여 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
    Figure 112008084222561-pat00037
    s.t. : lb≤ξ≤ub
    여기서, 상기 망각 지수는 0 초과 및 1 이하의 값 중 어느 하나의 값으로 지정됨.
  39. 제31항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델의 보정 결과 및 상기 구동부의 작동 결과 중 하나 이상을 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기에 제공하는 단계; 및
    상기 사용자 단말기로부터 네트워크를 통해 사용자 조작 명령을 수신하는 단계를 더 포함하되,
    상기 구동부는 상기 사용자 조작 명령에 부합하는 운전모드에 따른 제어모델에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
  40. 제31항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 모델의 보정 결과 및 상기 구동부의 작동 결과 중 하나 이상을 네트워크를 통해 연결된 정보 제공 장치에 제공하는 단계; 및
    상기 정보 제공 장치로부터 네트워크를 통해 사용자 조작 명령을 수신하는 단계를 더 포함하되,
    네트워크를 통해 연결된 상기 정보 제공 장치로부터 사용자 조작 명령이 수신되면, 상기 사용자 조작 명령에 부합하도록 상기 구동부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
  41. 제31항에 있어서,
    상기 센서부는 실내 온도, 실내 습도, 외기 온도, 외기 습도, 직달 일사량, 산란 일사량, 실외 조도 및 실내 조도로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 감지하는 것을 특징으로 하는 이중외피 시스템의 제어 방법.
  42. 제29항 내지 제31항 및 제33항 내지 제41항 중 어느 하나에 기재된 이중외피 시스템의 제어 방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체.
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