KR101049496B1 - 차양 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

차양 제어 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

차양 제어 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다. 차광부를 포함하는 건물의 차양 시스템을 미리 설정된 하나 이상의 운전 모드에 따라 제어하는 시스템으로서, 차광부를 작동시키는 구동부, 건물의 실내 및 실외 중 하나 이상에 설치되어 환경 조건을 측정하고, 건물의 실내에 설치되어 재실자 조건을 측정하여 센싱 정보로 출력하는 하나 이상의 센서부, 및 센싱 정보에 포함된 환경 조건 및 재실자 조건과, 운전 모드에 따른 비용값의 합으로 표현되는 비용함수가 최소화되는 제어 변수 값을 계산하고, 제어 변수 값에 대응하여 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 차양 제어 시스템에 의하여, 건물의 실내외의 환경 정보, 재실자에 관한 재실자 정보, 건물 관리 시스템의 관리 정보, 및 사용자의 기호에 따라 실시간으로 건물의 차양 시스템을 제어할 수 있고, 건물의 실내에 최적의 쾌적조건을 생성하며, 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.
Figure R1020080123768
차양, 제어

Description

차양 제어 시스템 및 그 제어 방법{SHADE CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 차양 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
건물의 창호는 자연광 및 외기를 실내로 유입하는 건축 요소로서 건축에 있어서 필수불가결한 요소이며, 건물의 외피에 다양한 형태로 설계, 시공되고 있다. 그러나 창호는 일반적으로 사용되는 다른 건축 요소에 비해 열전도율이 크고 두께가 얇아 열관류율이 높기 때문에, 자연채광과 조망을 제공하는 순기능과 함께 냉난방 부하를 증가시키는 역기능도 가지고 있다. 또한, 일사로 인한 열적 불쾌감, 글레어(glare) 등에 의한 시각적 불쾌감의 원인이 되기도 한다. 따라서, 이러한 문제점들을 극복하고자 다양한 형태의 차광 장치가 개발되어 건물에 차양 시스템으로서 설치되어 왔다.
그러나, 종래의 차양 시스템은 그 제어에 있어서 건물 시스템의 동적 모델(dynamic model)에 기반하지 않고, 단순한 관행(rule-based)에 의존한다는 문제가 있었다. 즉, 건축물은 움직이는 비행기나 자동차와 같이 관성을 가지고 있어서, 현재 상태를 기준으로 제어하는 것은 시스템의 변화를 반영하지 못하기 때문에 최 적의 상태로 제어가 이루어지지 못한다는 한계가 있다.
또한, 건물의 외피는 열, 빛, 음, 공기환경 모두와 관계되기 때문에, 이중 하나의 측면에만 유리하도록 건물을 제어하게 되면, 다른 측면에서는 오히려 불리한 상태를 야기할 가능성도 있다. 예를 들어, 난방기에는 열환경 측면에서 볼 때 난방부하를 줄이기 위해 차양장치를 거두어 일사 유입을 최대화하는 것이 유리하지만, 빛환경 측면에서 볼 때에는 난방기동안 태양의 고도가 낮기 때문에 많은 글레어를 발생시킨다는 문제가 있다.
이와 관련하여 건물의 차양 시스템은 실외와 실내의 다양한 변수에 따라 다르게 제어되어야 하지만, 재실자가 있는 경우, 또는 재실자가 올바른 제어 상태를 판단할 수 없는 경우에는 올바르게 제어되지 않을 수 있으며, 재실자가 올바른 제어 상태를 판단할 수 있다 하더라도, 재실자의 필요에 따라 즉각적인 제어가 이루어지지 않고 시간이 경과되면서 특정 시각에서 올바른 것으로 판단되었던 제어 상태가 그렇지 않은 상태로 변하게 됨으로써, 에너지 낭비가 불가피하게 되는 문제도 발생할 수 있다. 이 경우 오히려 과다한 에너지 낭비를 초래하고 불쾌한 실내 환경이 만들어질 수 있다.
또한, 종래에는 차양 시스템이 제어 설계자의 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 있는 실정이다.
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 환경 정보, 재실자에 관한 재실자 정보, 건물 관리 시스템의 관리 정보, 및 사용자의 기호에 따라 실시간으로 차양 시스템을 제어할 수 있고, 건물의 실내에 최적의 쾌적조건을 생성하며, 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 차양 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 시스템의 동적 특성(dynamic characteristic)을 고려한 최적 제어가 가능하고, 외기 및 시스템의 상태 정보를 네트워크를 통해 사용자(거주자 또는 관리자 등)가 실시간으로 확인할 수 있으며, 사용자가 확인한 정보를 토대로 원하는 운전 모드를 선택하여 지정할 수 있도록 하는 차양 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 차광부를 포함하는 건물의 차양 시스템을 미리 설정된 하나 이상의 운전 모드에 따라 제어하는 시스템으로서, 차광부를 작동시키는 구동부, 건물의 실내 및 실외 중 하나 이상에 설치되어 환경 조건을 측정하고, 건물의 실내에 설치되어 재실자 조건을 측정하여 센싱 정보로 출력하는 하나 이상의 센서부, 및 센싱 정보에 포함된 환경 조건 및 재실자 조건과, 운전 모드에 따른 비용값의 합으로 표현되는 비용함수가 최소화되는 제어 변수 값을 계산하고, 제어 변수 값에 대응하여 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 차양 제어 시스템이 제공된다.
차양 제어 시스템은 건물의 냉난방 부하를 관리하는 건물 관리 시스템과 네트워크를 통해 연결되며, 제어부는 비용함수에 건물 관리 시스템으로부터 전송되는 냉난방 부하에 관한 관리 정보에 따른 비용값을 더 포함시켜 제어 변수 값을 계산할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 차광부를 포함하는 건물의 차양 시스템을 미리 설정된 하나 이상의 운전 모드에 따라 제어하는 방법으로서, (a) 센서부에 의해 측정된 환경 조건 및 재실자 조건을 수신하는 단계, (b) 환경 조건 및 재실자 조건과, 운전 모드에 따른 비용값의 합으로 표현되는 비용함수가 최소화되는 제어 변수 값을 계산하는 단계, 및 (c) 제어 변수 값에 대응하여 차광부를 작동시키는 구동부를 제어하는 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 차양 시스템의 제어 방법이 제공된다.
건물의 냉난방 부하를 관리하는 건물 관리 시스템으로부터 네트워크를 통해 냉난방 부하에 관한 관리 정보를 수신하는 단계를 더 포함하되, 단계 (b)에서 비용함수는 관리 정보에 따른 비용값을 더 포함시켜 제어 변수 값을 계산할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 차양 시스템의 제어 방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램 이 유형적으로 구현되어 있으며 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체가 제공된다.
센서부는 건물의 실외 온도, 실외 습도, 실외 조도, 실내 온도, 실내 습도, 실내 습도, 휘도 분포, 직달 일사량, 산란 일사량 등의 환경 조건을 측정하는 환경 센서 및/또는 재실자의 위치, 작업상태, 시선의 방향 등을 측정하는 재실자 센서를 포함할 수 있으며, 재실자 조건은 사용자로부터 직접 입력받을 수도 있다. 운전 모드는 시(視)적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드 등일 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 환경 정보, 재실자에 관한 재실자 정보, 건물 관리 시스템의 관리 정보, 및 사용자의 기호에 따라 실시간으로 건물의 차양 시스템을 제어할 수 있고, 건물의 실내에 최적의 쾌적조건을 생성하며, 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.
또한, 시스템의 동적 특성을 고려한 최적 제어가 가능하고, 외기 및 시스템의 상태 정보를 네트워크를 통해 사용자(거주자 또는 관리자 등)가 실시간으로 확인할 수 있으며, 사용자가 확인한 정보를 토대로 원하는 운전 모드를 선택하여 지정할 수 있다.
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 구체적인 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 하 며, 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 차양 시스템을 제어하기 위한 전체 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 실시예는 건물 실내외의 제반 조건을 바탕으로 실내의 다양한 환경 인자를 통합적으로 고려하여 차양 시스템을 제어함으로써, 실내에 쾌적 환경을 제공하고 건물의 에너지 절약이 가능하도록 한 것이다.
본 실시예에서 제어 대상이 되는 차양 시스템(100)은 기본적으로 창호(110)와, 창호(110)를 중심으로 건물의 실외측 또는 실내측에 설치되는 차광부(130)로 구성된다. 차광부(130)는 일사와 일조의 실내 유입 여부 및 자연채광을 조절하는 구성요소이다.
창호는 고정창, 미닫이창, 개폐식창 등 다양한 방식으로 구성될 수 있으며, 이하 실시예에서는 고정창을 예로 들어 설명한다. 다만, 본 실시예에서 창호가 반드시 고정창에 한정되는 것이 아님은 물론이다. 고정창은 자동으로 개폐되도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 고정창의 개폐기구에 구동모터 등이 결합될 수 있다.
건물 실내외의 환경 정보, 실내의 재실자 정보, 건물의 관리 정보, 및 사용자의 기호에 따라 실시간으로 최적의 실내 환경 조건을 생성하도록 하기 위한 차양 시스템(100)은 창호(110)와 차광부(130)를 포함한다. 그리고 차양 시스템(100)을 제어하기 위한 제어 시스템은 창호 또는 건물의 실내외에 설치되는 센서부(101, 103)와, 센서부(101, 103)로부터 전송된 센싱 정보 및 건물 관리 시스템(150)으로 부터 전송된 관리 정보에 대응하여 차광부의 작동 정도를 제어하는 제어부(140)와, 제어부(140)로부터 전송된 제어 신호에 대응하여 차광부(130)를 작동시키는 구동부(134)를 포함하며, 차광부(130)의 작동 정도에 따라 건물의 실내 환경을 제어할 수 있는 시스템이다.
본 실시예에 따른 차광부로는 블라인드, 커튼, 루버 등이 사용될 수 있으며, 이하, 차광부(130)로서 루버(132)가 사용되는 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 도 1에서는 차광부(130)가 창호(110)를 중심으로 실외측에 형성되어 있는 경우가 도시되어 있지만, 본 실시예가 이에 한정되지는 않는다.
본 실시예에서 차양 제어 시스템은 유/무선 인터넷, 인트라넷 등의 네트워크를 통해 건물 관리 시스템(150)과 연결되어 있다. 건물 관리 시스템(150)은 관리자의 조작에 의해 혹은 미리 설정된 바에 따라 건물의 냉방 또는 난방을 결정하고, 요구되는 실내의 온도 및/또는 습도를 설정한다. 건물 관리 시스템(150)은 HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 시스템일 수 있으며, 건물 실내의 냉난방, 환기, 공기조화 등을 조절한다. 이렇게 건물 관리 시스템(150)에 의해 공급되는 냉난방 에너지, 환기량 등의 운영 상태에 관한 관리 정보는 네트워크를 통해 차양 제어 시스템에 전송된다.
창호(110)에는 일반적으로 창유리 및 하나 이상의 개폐 가능한 환기댐퍼(미도시)가 설치되는데, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 일반 콘크리트 벽체에 개폐 가능한 유리창이 구비된 경우도 본 실시예에서의 창호에 해당한다.
창호(110)는 단일창으로 구성될 수도 있지만, 필요에 따라 둘 이상으로 구성될 수도 있다. 둘 이상의 창호로 구성되는 경우 각 창호 사이의 공간, 즉 중공층이 열적 완충 공간 역할을 함으로써 차양 시스템의 단열 성능을 더욱 개선시킬 수 있다.
센서부(101, 103)는 건물의 실내외 환경, 및 실내의 재실자에 대하여 측정한 센싱 신호를 제어부(140)로 전송한다. 이를 위해 센서부(101, 103)는 네트워크 연결 및 신호 전송을 위한 부품, 회로 등을 더 포함할 수 있다.
센서부(101, 103)는 실내 및/또는 실외 환경에 대한 값(이하, '환경 조건'이라 칭함)을 측정하는 환경 센서(101)와, 건물의 실내에 있는 재실자에 대한 값(이하, '재실자 조건'이라 칭함)을 측정하는 재실자 센서(103)를 포함한다.
환경 센서(101)는 건물의 실내, 실외, 및/또는 창호에 설치되어 건물의 실내 및 실외의 환경 조건들을 측정한다. 환경 센서(101)가 측정하는 환경 조건에는 실외 온도, 실외 습도, 직달 일사량, 산란 일사량, 실외 조도 및 휘도 분포, 실내 온도, 실내 습도, 실내 조도 및 휘도의 분포 등이 포함된다.
실외 온도, 실외 습도, 일사량, 실외 조도 및 휘도 분포에 관한 측정 센서는 건물의 실외측 혹은 창호에 설치되고, 실내 온도, 실내 습도, 실내 조도 및 휘도 분포에 관한 측정 센서는 건물의 실내측에 설치될 수 있다.
재실자 센서(103)는 실내에 설치되어 현재 실내에 있는 재실자에 관련된 재실자의 조건을 측정한다. 재실자 센서(103)가 측정하는 재실자 조건에는 재실자의 위치, 작업상태, 시선의 방향 등이 포함된다. 재실자의 위치는 창호로부터 재실자 까지의 거리 혹은 재실자가 작업을 수행하는 작업면(work plane)까지의 거리를, 작업상태는 표준사무작업, 경작업, 컴퓨터작업, 서류작업 등의 작업 종류를, 시선의 방향은 재실자가 창호를 바라보는 각도를 의미한다. 시선의 방향은 재실자가 선 상태에서 창호를 직접 바라보는 경우, 재실자가 앉은 상태에서 창호를 직접 바라보는 경우, 재실자가 앉은 상태에서 작업면을 바라보는 경우 등에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
재실자 조건은 차양 제어 시스템에 구비되어 있는 입력수단(미도시) 혹은 네트워크를 통해 연결된 사용자 단말기(160)를 통해 직접 입력될 수도 있다. 사용자 단말기(160)는 마우스, 키보드, 키패드, 터치스크린 등의 수단을 통해 사용자로부터 입력을 받을 수 있는 장치로, 컴퓨터, 이동통신단말기, PDA(Personal Digital Assistant), 홈패널 등이 이에 해당될 수 있다.
도 1에서는 설명의 편의상 환경 센서(101) 및/또는 재실자 센서(103)를 통합된 개념으로 도시하였다. 따라서, 환경 센서(101) 및/또는 재실자 센서(103)에 포함되는 각종 센서들은 측정하고자 하는 값에 대응하여 각각 적절한 위치에 설치된다. 측정센서별 설치 위치에 관한 자세한 설명은 생략한다.
상술한 것과 같이 측정된 환경 조건에 대한 환경 정보 및/또는 측정되거나 입력된 재실자 조건에 대한 재실자 정보는 센싱 정보로서 제어부(140)로 전송된다.
제어부(140)는 센서부로부터 센싱 정보를 수신하고 건물 관리 시스템(150)으로부터 관리 신호를 수신하는 수신 모듈과, 센싱 정보 및 관리 정보 중 적어도 하나에 대응하여 차광부(130)의 작동 정보를 계산하는 연산 모듈과, 연산 모듈에서 의 계산 결과에 대응하여 제어 신호를 발생시키는 출력 모듈을 포함한다. 제어부(140)는 센서부(101, 103) 및/또는 구동부(134)와 네트워크를 통해 연결된다.
구동부(134)는 차광부(130)에 결합되는 구동모터 등을 포함하는 개념으로, 제어부(140)로부터 전송된 제어 신호를 받아 차광부(130)의 작동 여부 및 작동 정도를 조절한다. 도 1에 도시된 구동부(134)는 루버(132)의 경사각을 조절하는 구동 모터를 포함하고 있다.
차광부(130)는 창호의 실외측 또는 실내측에 설치되는 하나 이상의 차양장치를 포함할 수 있다. 차양장치는 태양광을 반사 또는 흡수하는 것으로, 도 1에는 차광부(130)로서 루버(132)가 도시되어 있지만, 이 외에도 롤 블라인드, 버티컬 블라인드, 베네치안 블라인드, 커튼, 오버행(overhang) 등 실내로의 일사 및 일조 유입을 조절, 제한 및 차단할 수 있는 다양한 장치, 구조물, 시설물 등을 포함할 수 있다.
차광부(130)는 그 종류에 따라 차광 정도가 조절된다. 예를 들어, 루버(132)를 사용할 경우 슬랫의 각도를 조절하여 차광 정도를 조절할 수 있다. 차광부(130)는 구동부(134)와 결합되어 제어부(140)에 의해 그 작동이 제어된다.
구동부(134)의 기구적 구성은 차광부(130)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 차광부(130)로서 블라인드를 사용할 경우 슬랫의 경사각을 조절하여 블라인드를 관통하는 빛을 조절할 수 있는 모터, 기어 등의 구성요소와, 블라인드 전체를 상하로 이동시켜 블라인드가 차폐하는 면적을 조절할 수 있는 링크, 와이어 등의 구성요소들이 사용될 수 있다.
한편, 차광부(130)로서 커튼을 사용할 경우, 커튼을 이동시키기 위한 모터, 풀리, 레일 등의 구성요소가 사용될 수 있으며, 여러 겹의 커튼을 사용할 경우에는 각 겹별로 구동을 위한 기구물이 설치될 수 있다. 차광부(130)로서 루버를 사용할 경우에는 루버의 경사각을 조절하는 부분과, 건물로부터 돌출되는 길이를 조절하는 부분에 대해 구동 메커니즘이 적용될 수 있다.
일조, 즉 태양광은 실내의 자연 채광, 즉 실내의 시적 쾌적에 영향을 미치고, 일사, 즉 태양열은 실내의 열적 쾌적 및 냉난방 부하에 영항을 미친다. 일조 및 일사의 유입은 경우에 따라 긍정적인 영향을 미치기도 하고 부정적인 영향을 미치기도 한다. 일조를 최대한 유입함으로써 쾌적한 실내 조도를 만족시키는 데에 사용되는 인공조명 에너지를 절약할 수 있지만, 태양 고도가 낮을 때의 일조 유입은 재실자에게 글레어를 주어 불쾌감을 줄 수도 있다. 일사를 최대한 유입하는 것은 난방기에는 난방부하를 저감시킬 수 있지만, 냉방기에는 냉방부하를 증가시킬 수도 있다. 그리고 이러한 현상은 타임랙(time lag)을 가지고 건물에 영향을 미치므로, 제어적 판단이 어렵게 된다.
일조 유입은 유리하지만 일사 유입은 불리하거나, 일조 유입은 불리하지만 일사 유입은 유리한 경우와 같이, 하나의 판단이 다양한 환경 상황에서 상충되는 결과를 일으킬 가능성도 있기 때문에 차광부(130)의 제어는 더욱 복잡해진다.
따라서, 아래에서 설명하는 바와 같이 본 실시예에서는 환경 센서(101)에 의해 측정된 환경 정보와, 재실자 센서(103)에 의해 측정되거나 사용자로부터 입력받은 재실자 정보, 건물 관리 시스템(150)에서 제공되는 관리 정보, 및 사용자에 의해 선택되는 운전 모드에 따라 실시간으로 차광부(130)의 작동 정도를 제어한다.
이러한 차광부(130)의 작동 정도를 제어하기 위한 제어부(140)의 기능 및 동작에 대하여 이하 상세히 설명하기로 한다.
제어부(140)가 마이크로 프로세서의 형태로 형성된다고 할 때, 이를 장착한 컴퓨터 시스템을 건물에 설치하고, 입력수단, 센서부(101, 103), 구동부(134) 등을 컴퓨터 시스템에 연결하여 구성할 수 있다.
사용자(거주자 혹은 관리자)가 실시간으로 차양 제어 시스템을 이용할 수 있도록 하기 위해서는 사용자의 위치에 상관없이 제어부(140)에 접근할 수 있어야 한다. 따라서, 본 실시예에 따른 제어부(140)는 유/무선 인터넷, 인트라넷 등의 네트워크를 통해 접근가능하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이를 위해 제어부(140)는 네트워크를 통해 웹서버(web server)와 연결되어 정보를 송수신할 수 있다.
제어부(140)가 네트워크를 통해 접근가능한 경우, 사용자 단말기(160)를 이용하여 정보 제공 장치(170)에 접속함으로써 웹 상에서 제어부(140)에서 입력되는 값, 구동부(134)의 동작 결과, 차광부(130)의 작동 현황 등을 확인할 수 있고, 사용자가 원하는 운전 모드로의 전환 설정 등을 제어할 수도 있다.
여기서, 운전 모드는 시(視)적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드 등으로 분류될 수 있으며, 사용자는 하나 이상을 선택하여 지정된 운전 모드로 동작되도록 할 수 있다. 사용자는 조건(예를 들어, 시간대별, 실내온도별, 실내습도별 등)에 따라 구분되도록 복수개의 운전 모드를 일괄 선택하여 부합되는 조건에 따라 지정된 운전 모드로 개별 동작되도록 할 수도 있다.
제어부(140)는 센싱 정보(환경 정보 및 재실자 정보), 관리 정보, 및 사용자 기호에 따른 운전 모드에 따라 차광부(130)의 작동 정도를 제어한다.
사용자 기호에 따른 운전 모드로 차양 시스템(100)을 제어하기 위해, 제어부(140)에는 건물의 사용자 기호를 기준으로 시적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드 등의 운전 모드에 관한 설정값들이 미리 저장될 수 있다. 사용자는 차양 시스템(100)이 실내 환경에 영향을 미치는 다양한 요소들에 대하여 자신의 기호에 따라 가중치를 부여하거나, 쾌적환경에 관한 설계 기준이 반영되도록 디폴트로 설정된 운전 모드별 가중치를 이용할 수도 있다.
제어부(140)는 사용자로부터의 입력에 따라 각 요소의 최고 및/또는 최저 허용 한계를 결정할 수 있고, 또한 각 요소에 대한 가중치를 변경함으로써 각 요소 간의 상대적 중요성을 결정할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 사용자에 의해 선택된 운전 모드에 대응하여 건물의 필요 냉난방 에너지, 환기량 등을 계산하며, 이 값들에 근거하여 차광부(130)의 작동 정도를 계산한다.
건물의 차양 시스템(100)을 이용하여 자연 채광을 도입하고자 할 경우에는 제어부(140)에서 필요 실내조도가 계산되며, 이 값이 차광부(130)의 작동 정도(예를 들어, 루버(132)의 경사각)를 계산하는 데 반영된다. 또한, 본 실시예에 따른 차양 시스템(100)은 자연채광을 도입할 수 있을 뿐만 아니나 형광등의 점멸(on-off), 디밍(dimming) 등과 같이 실내 조명 시스템과도 연동될 수 있음은 물론이다.
현재 많은 공동주택에는 단지 혹은 동 단위로 웨더스테이션(weather station)이 구비되어 있는데, 본 실시예에 따른 제어부(140)를 아파트 단지의 서버와 연결한다면, 환경 조건의 측정에 있어서 웨더스테이션의 측정값이 이용될 수 있을 것이다. 특히, 아파트 단지 내에 본 실시예에 따른 차양 제어 시스템이 사용되는 경우, 다수의 차양 제어 시스템은 실외의 측정값들로 웨더스테이션의 측정값을 공유함으로써 센서를 설치하지 않고도 측정값을 얻을 수 있다.
이하에서는 상술한 차양 제어 시스템에서 각 정보를 이용하여 차광부(130)의 작동 정도를 계산하여 차광부(130)의 작동을 제어하는 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차양 시스템(100)을 제어하는 방법의 순서도이다.
제어부(140)의 수신 모듈은 센서부로부터 센싱 정보를 수신하고(단계 S210), 건물 관리 시스템(150)으로부터 관리 정보를 수신한다(단계 S220). 단계 S210과 단계 S220은 동시에 혹은 순차적으로 수행되거나, 혹은 독립적으로 수행될 수 있다.
제어부(140)의 연산 모듈은 센싱 정보와 관리 정보를 이용하여 각 운전 모드에 따른 다양한 운영이 가능하도록 차광부(130)의 작동 정보를 계산한다(단계 S230).
이를 위해 연산 모듈에는 건물 실내외의 환경 조건을 반영하기 위한 환경 변수와, 재실자 조건을 반영하기 위한 재실자 변수와, 창호 및 실내외 물성을 반영하기 위한 물성 변수와, 사용자 기호에 따른 가중치를 반영하기 위한 기호 변수와, 쾌적 정도를 결정하는 범위를 나타내기 위한 쾌적 범위 변수와, 차광부의 작동 정도를 지시하기 위한 제어 변수로 이루어진 비용 함수가 입력되어 있다. 또 다른 변수로, 시스템의 상태 변수와 이에 따른 실내조건의 변화를 설명하는 시스템의 동적 반응을 묘사하는 수학적 모델이 추가될 수도 있다.
환경 변수는 건물의 실내외의 현재 환경 조건을 반영하기 위한 것으로 환경 센서를 통해 입력받은 환경 정보를 가공한 변수이고, 재실자 변수는 건물의 실내에 있는 재실자에 관한 재실자 조건을 반영하기 위한 것으로 재실자 센서를 통해 혹은 사용자로부터 직접 입력받은 재실자 정보를 가공한 변수이다.
물성 변수는 창호와 실내외의 재료적 물성치를 반영하는 것으로 쉽게 변하는 값이 아닌 바, 일정한 값을 저장해 놓고 계속 사용할 수도 있다. 물성 변수를 저장하기 위해 제어부(140)에는 데이터베이스가 포함될 수 있다.
사용자 기호를 반영하기 위한 기호 변수와 허용되는 범위를 나타내기 위한 쾌적 범위 변수도 자주 변하는 것이 아니고, 복수의 사용자에 따라 다른 설정을 사용할 수 있는 바, 이 변수들도 데이터베이스에 저장될 수 있다. 데이터베이스에 저장된 물성 변수, 기호 변수, 쾌적 범위 변수는 사용자의 필요에 따라 그 내용이 갱신될 수 있다.
제어부(140)는 물성 변수, 기호 변수, 쾌적 범위 변수를 저장하는 데이터베이스를 구비하고 있다. 연산 모듈은 수신 모듈을 통해 수신된 환경 정보, 재실자 정보, 관리 정보를 입력받고, 데이터베이스로부터 물성 변수, 기호 변수, 쾌적 범위 변수를 입력받으며, 이를 비용함수에 대입하여 비용함수의 값을 계산한다.
물성 변수로는 창호와 차광부 등의 열전도율(또는 열관류율), 투과율, 흡수율, 방사율, 크기, 반사율 등을 들 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 창호에는 첨단 재료인 가변 유리가 사용될 수도 있다. 즉, 상황에 따라 투과율, 반사율, 흡수율값이 변하는 유리로서, 빛의 양에 따라 상기 특성이 변하는 포토크로믹 유리(photochromic glass), 온도에 따라 상기 특성이 변하는 서모크로믹 유리(thermochromic glass), 전력 공급에 따라 상기 특성이 변하는 일렉트로크로믹 유리(electrochromic glass) 등을 들 수 있다. 이러한 가변 유리가 창호에 사용되는 경우 변화되는 물성치가 추가적으로 입력되어야 할 것이다.
기호 변수는 사용자의 기호를 기준으로 설정되는 운전 모드에 관련된다. 운전 모드는 국내외의 쾌적환경에 관한 설계 기준 데이터가 반영될 수 있으며, 시적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드, 에너지 절약모드 등을 포함한다.
시적 쾌적모드는 실내의 빛환경에 관련된 운전 모드로서, 글레어를 방지하고, 자연 채광(daylight illuminance)과 균일도(uniformity)를 확보하여 실내 조도 분포를 고르게 한 운영상태를 의미한다. 사용자는 자신의 기호에 따라 글레어, 자연 채광, 균일도에 관한 가중치를 입력하거나, 미리 정해진 알고리즘에 따라 글레어, 자연 채광, 균일도에 대하여 우선순위를 정할 수 있다.
시적 쾌적모드에 관련된 빛환경에 영향을 미치는 인자는 실내 조도, 태양의 고도 등의 환경 조건과, 재실자 위치, 작업상태, 시선의 방향 등의 재실자 조건을 포함한다.
열적 쾌적모드는 실내의 열환경에 관련된 운전 모드이다. 열환경에 영향을 미치는 인자는 실내 온도, 실내 습도, 실외 온도, 실외 습도, 태양의 고도와 일사량 등의 환경 조건과, 재실자 위치, 작업상태 등의 재실자 조건을 포함한다. 이러한 실내의 열환경을 평가하기 위한 지수로서 PMV(예상온열감, Predicted Mean Vote)를 사용할 수 있다. PMV는 온도, 습도, 복사온도, 기류속도, 착의량, 및 활동량을 하나의 지표로 표현한 것이다.
열환경에 각 인자에 대한 쾌적범위를 개별적으로 설정할 수도 있지만, PMV와 같은 단일지표를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 운전 모드가 열적 쾌적모드로 설정된 경우 PMV가 0이 되도록 차양 제어 시스템을 운영할 수 있다.
에너지 절약모드는 실내의 쾌적보다는 건물의 냉난방 부하에 비중을 둔 운전 모드이다. 환경 조건이나 재실자 조건은 적게 고려되며, 관리 정보를 기초로 하여 현재 건물 관리 시스템(150)에 의한 설정이 냉방인지 난방인지에 따라 냉난방 에너지를 최소화할 수 있도록 한다. 예를 들어, 설정이 냉방인 경우 일사의 유입을 최대한 방지함으로써 냉방부하를 줄여 냉방 에너지를 최소화할 수 있도록 하고, 설정이 난방인 경우 일사를 최대로 유입함으로써 난방부하를 줄여 난방 에너지를 최소화할 수 있도록 한다.
자동운전 모드는 실내의 빛, 열, 음, 공기환경 및 건물의 냉난방 부하 모두에 관련된 운전 모드이다. 예를 들어, 자동운전 모드에서는 PMV가 -0.5에서 0.5 사이를 유지하고, 글레어를 방지하는 범위 내에서 에너지를 최적화하도록 차광부(130)의 작동 정도를 결정하게 된다. 자동운전 모드에서 상술한 빛환경, 열환경 에 영향을 미치는 인자들은 기본적으로 고려되며, 이 외에도 공기환경에 영향을 미치는 인자인 실내외 이산화탄소량, 휘발성 유기화합물(VOC)량, 분진량, 실외 풍속과 풍향 등이 고려될 수 있다. 그리고 외부 소음이 일정 기준보다 높은 경우 창호의 개구부를 닫거나 차광부(130)를 차음레이어로써 이용하여 소음 차단에 일조할 수 있다.
상술한 것과 같이 물성 변수는 상황에 따라, 기호 변수 및 쾌적 범위 변수는 사용자의 기호에 따라 변화되는 값을 가질 수 있는 바 데이터베이스에 상수 이외의 함수로 입력될 수도 있다.
제어 변수는 차광부(130)의 작동 정도에 대한 값을 포함한다. 차광부(130)의 작동 정도는 차광부(130)로서 사용되는 각종 차양장치의 차광 정도, 차양장치의 슬랫 경사각 등을 포함한다. 차광 정도는 차양장치의 전체 면적에 대해 일사를 차폐하는 데에 사용되는 면적의 비율을 나타낸다.
차양장치는 차광 역할을 수행하거나, 차양장치가 차지하는 면적을 최소화하여 일조 및/또는 일사의 유입을 허용할 수 있으며, 전체 면적에 대하여 일정 부분만을 차광의 용도로 사용할 수도 있다.
버티컬 블라인드, 베네치안 블라인드 등의 차양장치의 경우 다수의 슬랫으로 구성되어 있어, 슬랫의 경사각에 따라 열환경 및 빛환경 측면에서 다양한 역할을 수행하도록 할 수 있다. 이 경우 차광 정도 이외에 슬랫 경사각도 제어 변수에 포함된다.
비용함수는 각 비용인자에 대한 패널티 함수(penalty function)와 가중치의 곱들, 즉 비용값들의 합으로 구성된다. 상술한 변수들(환경 변수, 재실자 변수, 물성 변수, 기호 변수, 쾌적 범위 변수, 제어 변수)을 기초로 하여 각 비용인자에 대한 패널티 함수와 가중치가 결정되고, 해당 비용값들을 이용하여 빛, 열, 음, 공기환경 분야에서의 쾌적도를 계산하게 된다.
여기서, 비용함수의 결과값이 최소가 되게 하는 제어 변수의 값을 구하면(단계 S240), 이 값이 해당 운전 모드에서의 가장 쾌적한 환경을 제공하는 차광부(130)의 작동 정도를 나타낸다. 본 실시예에서 사용되는 비용 함수는 하기의 수학식 1과 같은 형태를 취할 수 있다.
Figure 112008084217813-pat00001
여기서, J는 비용함수, ri는 가중치, pfi는 비용인자 CEi의 패널티 함수를 나타낸다. 비용인자에는 차광부(130)의 작동 정도를 나타내는 제어 변수가 포함되며, 차광 정도(차양 장치가 전체 면적에서 차지하는 면적 비율, %로 표시)를 area, 슬랫 경사각을 φ라 가정하면, 하기의 수학식 2를 만족하는 차광 정도와 슬랫 경사각이 현재 차양 제어 시스템에서 제어해야 할 차광부(130)의 작동 정도가 된다.
Figure 112008084217813-pat00002
계산된 제어 변수 값에 대응하는 제어 신호를 생성하여 구동부(134)로 출력한다(단계 S250). 구동부(134)는 제어 신호에 대응하는 구동 신호를 생성하여 출력함으로써 차광부(130)의 차광 정도를 조절하는 것이 가능하다.
사용자가 실시간으로 건물의 차양 시스템(100)을 제어할 수 있도록 하기 위해 네트워크를 통해 접근가능하도록 구성하였으므로, 제어부(140)는 네트워크를 통해 구동부(134)에 제어 신호를 전송하는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 건물 차양 시스템의 제어 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 건물 차양 시스템의 제어 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체, 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 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 건물의 차양 시스템을 제어하기 위한 전체 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건물의 차양 시스템을 제어하는 방법의 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 차양 시스템 101: 환경 센서
103: 재실자 센서 110: 창호
130: 차광부 132: 루버
134: 구동부 140: 제어부
150: 건물 관리 시스템 160: 사용자 단말기
170: 정보 제공 장치

Claims (13)

  1. 차광부를 포함하는 건물의 차양 시스템을 미리 설정된 하나 이상의 운전 모드에 따라 제어하는 차양 제어 시스템으로서,
    상기 차광부를 작동시켜 차광 정도를 조절하는 구동부;
    상기 건물의 실내 및 실외 중 하나 이상에 설치되어 환경 조건을 측정하고, 상기 건물의 실내에 설치되어 재실자의 위치, 작업상태 및 시선의 방향에 관한 재실자 조건을 측정하여 센싱 정보로 출력하는 하나 이상의 센서부-여기서, 상기 재실자의 위치는 창호로부터 상기 재실자까지의 거리 혹은 상기 재실자가 작업을 수행하는 작업면까지의 거리이며, 상기 작업상태는 표준사무작업, 경작업, 컴퓨터작업 및 서류작업 중 하나의 작업종류이며, 상기 시선의 방향은 상기 재실자가 창호를 바라보는 각도임-; 및
    상기 센싱 정보에 포함된 상기 환경 조건 및 상기 재실자 조건과, 상기 운전 모드에 따른 비용값의 합으로 표현되는 비용함수가 최소화되는 제어 변수 값을 계산하고, 상기 제어 변수 값에 대응하여 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 차양 제어 시스템은 관리자의 조작에 의해 혹은 미리 설정된 바에 따라 건물의 냉난방 부하를 결정하고, 결정된 냉난방 부하에 따라 요구되는 상기 건물의 실내 온도, 습도, 환기 및 공기조화 정도를 조절하는 HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 시스템인 건물 관리 시스템과 네트워크를 통해 연결되며,
    상기 제어부는 상기 비용함수에 상기 건물 관리 시스템으로부터 전송되는 상기 냉난방 부하에 관한 관리 정보에 따른 비용값을 더 포함시켜 상기 제어 변수 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 차양 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 건물의 실외 온도, 실외 습도, 실외 조도, 실내 온도, 실내 습도, 실내 습도, 휘도 분포, 직달 일사량 및 산란 일사량으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 환경 조건을 측정하는 환경 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차양 제어 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 운전 모드는 시(視)적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드 및 에너지 절약모드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 차양 제어 시스템.
  7. 차광부를 포함하는 건물의 차양 시스템을 미리 설정된 하나 이상의 운전 모드에 따라 제어하는 방법으로서,
    (a) 센서부에 의해 측정된 환경 조건 및 재실자의 위치, 작업상태 및 시선의 방향에 관한 재실자 조건을 수신하는 단계-여기서, 상기 재실자의 위치는 창호로부터 상기 재실자까지의 거리 혹은 상기 재실자가 작업을 수행하는 작업면까지의 거리이며, 상기 작업상태는 표준사무작업, 경작업, 컴퓨터작업 및 서류작업 중 하나의 작업종류이며, 상기 시선의 방향은 상기 재실자가 창호를 바라보는 각도임-;
    (b) 관리자의 조작에 의해 혹은 미리 설정된 바에 따라 건물의 냉난방 부하를 결정하고, 결정된 냉난방 부하에 따라 요구되는 상기 건물의 실내 온도, 습도, 환기 및 공기조화 정도를 조절하는 HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 시스템인 건물 관리 시스템으로부터 네트워크를 통해 상기 냉난방 부하에 관한 관리 정보를 수신하는 단계;
    (c) 상기 환경 조건 및 상기 재실자조건과, 상기 운전 모드에 따른 비용값 및 상기 관리 정보에 따른 비용값의 합으로 표현되는 비용함수가 최소화되는 제어 변수 값을 계산하는 단계; 및
    (d) 상기 제어 변수 값에 대응하여 상기 차광부를 작동시켜 차광 정도를 조절하는 구동부를 제어하는 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 차양 시스템의 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 건물의 실외 온도, 실외 습도, 실외 조도, 실내 온도, 실내 습도, 실내 습도, 휘도 분포, 직달 일사량 및 산란 일사량으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 환경 조건을 측정하는 것을 특징으로 하는 차양 시스템의 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 운전 모드는 시(視)적 쾌적모드, 열적 쾌적모드, 자동운전 모드 및 에너지 절약모드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 차양 시스템의 제어 방법.
  13. 제7항, 제9항 및 제12항 중 어느 하나에 기재된 차양 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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