KR101137662B1 - 공조 시스템의 ｐｍｖ제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공조 시스템의 PMV 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 건물 내부 및 외부의 온도, 평균 복사 온도, 기류속도, 상대 습도, 활동량, 착의량의 값을 각각 검출하여 PMV값을 산출하고, 사용자가 지정한 설정 PMV값과 비교하여 계산된 PMV 값이 설정 PMV값에 가까워지도록 하기 위한 실내온도값을 계산하고, 산출된 실내온도값에 따라 공조 시스템의 온도를 제어하는 것이다. 따라서, PMV 기반으로 실온을 제어할 경우 목표 PMV를 맞추도록 제어하므로 실내 냉방 부하가 커질 경우에만 설정 온도가 내려가고 냉방 부하가 작을 경우에는 설정 온도가 상승하도록 제어함으로써 고정된 설정 온도로 제어하는 경우보다 에너지 절감의 효과를 볼 수 있다.

공조 시스템, PMV, 평균 복사 온도, 온도 제어, 예상 온열감, 건물, 빌딩

Description

공조 시스템의 ＰＭＶ제어방법{PMV control methods of air handling unit}

본 발명은 공조 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고층 거축물의 실내온도, 외주부 창문 온도, 상대습도, 기류속도, 활동량, 착의량을 검출하고 PMV를 계산하고, PMV 역연산 알고리즘을 사용하여 최적 실내온도를 산출하여 적용함으로써 사용자가 건물 내부에서 쾌적한 생활을 할 수 있도록 하는 지능형 공조 시스템의 PMV 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 전체 에너지의 약 40% 이상이 빌딩 내에서 소비된 것으로 알려져 있다. 에너지 비용의 과도한 상승과 에너지 사용에 따른 환경적인 문제로 인해 빌딩이 에너지를 얼마나 효율적으로 사용하는가에 대한 관심이 그 어느 때보다 커졌다.

에너지 사용량과 실내 온열 환경의 쾌적성 사이에는 일반적으로 반비례적인 관계가 있다. 사실 사람들은 대부분의 시간을 실내에서 보내기 때문에 실내 환경이 쾌적하지 못할 경우에 불만족스러워 할 수 있으며 오피스 빌딩과 같은 경우에는 업무 생산성이 저하될 수 있다. 따라서, 실내 온열 환경의 쾌적성을 유지하면서 에너 지를 절감시키는 것이 쾌적 제어의 필요성이 그 어느 때보다 대두되고 있는 현실이다.

빌딩 공조 설비의 주된 목적은 재실자들에게 쾌적한 환경을 제공해주는 것이다. 그러나, 사람이 느끼는 쾌적 상태를 실시간으로 감시 및 제어하지 않는다면, 이러한 쾌적한 환경을 유지할 수 없다.

쾌적함의 정도를 구체적으로 다루기 위해 재실자들이 느끼는 쾌적함의 정도를 지표화하는 연구들이 진행되었는데, 가장 널리 사용되는 실내 온열 쾌적성에 대한 지표는 Fanger에 의해 개발된 예상 온열감(Predicted Mean Vote : PMV)로서 이는 실험에 의하여 여러 그룹의 사람들이 느끼는 온열감에 대한 경험적인 평균 반응을 평가한 후 수식화 한 것이다.

상기와 같은 PMV값의 계산식은 아래 수학식 1에 나타내었다.

[수학식 1]

여기에서,

여기서 M은 활동량(W/㎡), W 는 외부에서 가한 일, I _cl 는 의복의 단열 지수(clo: 1clo = 0.18 ㎠ h/cal), f _cl 는 옷을 입은 면적과 사람의 신체 면적의 비율 (단위 없음), t _a 는 실내 온도(℃), t _r 는 평균 복사 온도(℃), V _ar 는 기류 속도(m/s), P _a 는 불포화 수증기 압[Pa], h _c 는 대류 열전달 계수(kcal/㎡ h ℃), f _cl 는 옷을 입은 면적과 사람의 신체 면적의 비율 (단위 없음), t _cl 는 의복 표면의 온도 (℃)를 나타낸다.

한편, 상대습도(RH)를 입력값으로 받았을 경우 불포화 수증기 압(partial water vapour pressure)를 계산하기 위해서는 다음의 수학식 2 에 따라 계산한다.

[수학식 2]

여기서, P _a : partial water vapour pressure, [Pa]

RH : relative humidity, [%]

t _a : air temperature, [℃]

여기서, P _a 는 불포화 수증기 압[Pa], RH는 상대습도, t _a 는 공기의 온도를 나타낸다.

이와 같이 PMV값이 산출되며, -3부터 +3까지의 범위를 갖는 값으로서 0에 가까울수록 재실자들이 쾌적하게 느끼는 정도가 높은 것이다.

한편, PPD 값은 PMV를 바탕으로 다음과 같은 계산식에 의해 결정된다.

[수학식 3]

(PPD: 예상 불만족률, Predicted Percentage of Dissatisfied)
예상 불만족률(Predicted Percentage of Dissatisfied : PPD)은 예상 온열감(PMV)에 따라 "덥다", "따뜻하다", "약간 따뜻하다", "중립", "약간 서늘하다", "서늘하다", "춥다"등으로 온열감의 척도를 설정하고, 이 설정된 온열감 척도를 통해 현재 환경에 대해 만족하지 않는 사람의 예상비율을 나타낸다.

기존의 전통적인 공조 제어 방식은 실내의 온도와 습도를 일정하게 유지하는 것이었다. 재실자가 느끼는 온열 쾌적성을 제대로 고려하기 위해서는 PMV값을 토대로 공조 제어를 해야 하지만 PMV값을 계산하지 않고 주변 환경의 조건과 관계 없이 일정한 설정값에 맞도록 실온을 제어하였다.

이는 제어방법이 직관적이고 간단한 장점은 있지만, 일정한 온도라고 해도 사용자가 느끼는 쾌적성은 주변 환경에 따라 달라질 수 있기 때문에 쾌적성의 관점에서 보면 비효율적인 문제점이 있다. 또한, 경우에 따라서는 과냉방 또는 과난방이 이루어질 수 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 측정 및 지표를 통하여 얻을 수 있는 4가지 환경요인 및 2가지 인적요인을 통하여 얻을 수 있는 PMV값을 계산하고, 계산된 PMV값과 설정 PMV값을 비교하여 설정 PMV값에 가까워지기 위한 최적의 실내온도값을 계산하여 그 온도값으로 실내 온도를 제어함으로써 에너지를 절감하면서 건물 내부의 환경을 쾌적하게 만들 수 있도록 하는 공조 시스템의 PMV 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 건물 내부 및 외부의 온도, 평균 복사 온도, 기류속도, 상대 습도, 활동량, 착의량의 값을 각각 검출하는 단계; 상기 각각의 검출값을 사용하여 PMV값을 산출하는 단계; 사용자가 지정한 설정 PMV값과 비교하는 단계; 계산된 PMV 값이 설정 PMV값에 가까워지도록 하기 위한 실내온도값을 계산하는 단계; 상기 산출된 실내온도값에 따라 공조 시스템의 온도를 제어하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

한편, 기류속도는 공조 시스템의 팬의 회전속도를 통하여 검출하고, 활동량은 재실자들의 활동량 지표를 나타낸 표를 사용하여 시간대별 평균 활동량을 계산하여 산출하고, 착의량은 복장의 항목별 지표를 나타낸 표를 사용하여 각 월별 평균 착의량을 계산하여 산출하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 평균 복사 온도를 직접 측정할 수 없는 경우 주변 벽면의 온도와 각 벽면의 앵글 팩터를 바탕으로 계산하는 MRT 펑션 블록을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 MRT 펑션 블록에 의한 평균 복사 온도(T_mrt) 계산은 외기와 접하는 면의 절대 온도 값(T_e)과, 내부 벽의 절대 온도 값(T_o)과, 지점의 좌측 벽으로부터의 거리(a1)와, 지점의 우측 벽으로부터의 거리(a2)와, 지점의 높이값(c)과, 지점의 건물 층고값(H)을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

한편, 설정 PMV 값을 만족시키는 설정 온도값과, 현재 PMV값과, 현재 PPD값을 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, PMV 기반으로 실온을 제어할 경우 목표 PMV를 맞추도록 제어하므로 실내 냉방 부하가 커질 경우에만 설정 온도가 내려가고 냉방 부하가 작을 경우에는 설정 온도가 상승하도록 제어함으로써 고정된 설정 온도로 제어하는 경우보다 에너지 절감의 효과를 볼 수 있다.

또한, 평균 복사 온도를 외주부의 표면 온도와 건물의 기하 정보를 통해 계산이 가능하기 때문에, 복사 온도 측정 센서를 설치하는 추가비용을 줄일 수 있다.

또한, 건물 내에서 실온만을 제어하므로써 PMV의 쾌적한 범위를 만들 수 있기 때문에 제어가 간단하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예인 공조 시스템의 PMV 제어방법의 제어순서를 나타낸 플로우챠트이고, 도 2 는 본 발명의 다른 실시예인 평균 복사 온도의 계산을 통한 공조 시스템의 PMV 제어방법의 제어순서를 나타낸 플로우챠트이다.

상기 도면에 따르면 본 발명은 건물 내부 및 외부의 온도, 평균 복사 온도, 기류속도, 상대 습도, 활동량, 착의량의 값을 각각 검출하는 단계(S1); 상기 각각의 검출값을 사용하여 PMV값을 산출하는 단계(S2); 사용자가 지정한 설정 PMV값과 비교하는 단계(S3); 계산된 PMV 값이 설정 PMV값에 가까워지도록 하기 위한 실내온도값을 계산하는 단계(S5); 상기 산출된 실내온도값에 따라 공조 시스템의 온도를 제어하는 단계(S6);를 포함하여 이루어진다.

건물 내부 및 외부의 온도, 평균 복사 온도, 기류속도, 상대 습도, 활동량, 착의량의 값을 각각 검출하는 단계(S1)를 살펴보면, PMV값을 구하기 위하여 필요한 요소들을 검출하는 단계이다.

건물 내부 및 외부의 온도는 온도 측정기를 사용하여 측정하고, 기류속도 및 상대 습도 역시 측정기를 이용하여 측정하게 된다. 상기 각각의 측정기들은 건물의 각 층 주요부에 설치되어 정보를 공조 시스템으로 전송하게 된다.

또한, 평균 복사 온도를 측정하기 위해서는 측정기를 복사 온도 측정기를 설치하여 측정할 수 있다.

한편, 측정기가 없는 경우 실내온도와 동일하게 설정하고 PMV를 계산해야 한다. 하지만, 본 발명에서는 실내온도와 외주부의 창문 온도를 바탕으로 형태계수를 사용한 평균 복사온도 계산 알고리즘을 사용하여 평균 복사 온도를 산출함으로써 보다 정확한 PMV값을 계산할 수 있다. 상기와 같이 평균 복사 온도를 계산에 의해 산출함으로써 고가의 측정장비를 들이지 않아도 정확한 PMV의 계산이 가능하다.

평균 복사 온도 계산 알고리즘에 의해 계산된 값을 MRT라고 정의한다.

MRT의 계산은 외주부 측면과 실내 제어기준점과의 기하정보로부터 앵글 팩터(Angle factor)를 계산하여 외주부 측 표면온도와 함께 제어기준점에서의 MRT를 산출한다.

MRT의 계산은 MRT를 직접 측정할 수 없는 경우에 주변 벽면의 온도와 각 벽면의 앵글 팩터를 바탕으로 계산할 수 있다. MRT의 정밀한 계산을 위해서는 제어기준점과 복사열교환을 하는 모든 면들의 온도를 측정하고 각각의 앵글 팩터를 측정하여 계산한다.

평균 복사 온도의 계산식을 살펴보면 다음과 같다.

[수학식 3]

여기에서

T_rt,otherwall 는 외주부 측면의 절대온도(K)이고, T_rt,extwall 은 기타 벽의 절대온 도(K)이고, F_extwall 은 외주부 측면의 앵글 팩터이다.

여기에서 앵글 팩터의 계산은 다음과 같은 수식에 의하여 계산된다.

[수학식 4]

여기에서, 앵글 팩터 계산을 위한 외주부 측면의 구조도를 도 3 에 나타내었다. 상기 도 3 에 의하여 앵글 팩터가 계산이 되고, 그 계산값에 의하여 평균 복사 온도값이 계산된다.

또한,

이다.

또한, 상기 앵글 팩터를 계산하기 위한 형태 계수는 다음 표와 같이 나타낼 수 있다.

[표 1]

한편, 활동량, 착의량과 같이 직접적으로 측정하지 못하는 값은 활동량과 착의량에 대한 값은 ISO 규격에 따라 표 2 내지 표 5 와 같이 정의된다.

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

표2는 활동량에 대한 값을 수치로 나타낸 것이도, 표3은 계절별 착의량에 따른 값을 수치로 나타낸 것이다. 표4는 여름철 사무실의 착의량을 상세하게 나타낸 표이고, 표5는 겨울철 사무실의 착의량을 상세하게 나타낸 표이다.

재실자들의 활동량을 나타내는 지표인 활동량은 재실자들이 하는 활동에 따라 다르나 일반적인 오피스 건물의 경우의 예를 들면 시간대에 따라 다르며 건물의 운영자는 활동량을 다음과 같이 시간에 따라 테이블의 형태로 입력한다.

[표 2-1]

한편, 재실자들이 착용하고 있는 의복의 양을 나타내는 지표인 착의량은 일반적으로 계절이나 월에 따라 정해져 있으며 건물의 운영자는 착의량을 다음과 같이 월에 따라 테이블의 형태로 입력시킨다.

[표 3-1]

위와 같은 과정을 거쳐 검출된 각각의 검출값을 사용하여 PMV값을 산정하는 단계(S2)는 측정된 건물 내부 및 외부의 온도, 기류속도, 상대 습도, 활동량, 착의 량에 따라 PMV값을 계산하는 단계이다. PMV값의 계산식은 수학식 1 에 나타나 있으며 S1 단계에서 측정된 측정값들을 입력하여 계산 결과를 출력할 수 있도록 하는 단계이다. 이러한 단계로 계산되어지는 현재 PMV값을 PMV-1이라고 정의한다.

사용자가 지정한 설정 PMV값과 비교하는 단계(S3)는 현재의 측정값을 가지고 계산되어진 PMV-1 값과, 설정된 PMV값을 비교하는 단계로, 설정된 PMV값을 PMV-2라고 한다면 PMV-1값이 PMV-2 값에 가까이 가도록 요소를 제어하기 위하여 서로 비교하는 단계이다.

계산된 PMV 값이 설정 PMV값에 가까워지도록 하기 위한 실내온도값을 계산하는 단계(S5)는 PMV-1 값이 PMV-2 값과 가까워지도록 요소를 제어하는 단계이다.

PMV-1 값이 PMV-2 값에 가까워지기 위해서는 PMV를 계산할 때 사용된 측정 요소중 어는 한가지를 제어하여 조절함으로써 PMV값을 변화시켜 설정값에 가까워지도록 하는 것이다. 상기 측정 요소 중 실내온도를 선택하여 PMV-1값이 PMV-2 값에 가까워지기 위한 최적의 실내온도를 계산하는 것이다. 즉, PMV 값의 계산을 역 연산하여 PMV-2값이 나오기 위한 실내온도를 계산한다.

산출된 실내온도값에 따라 공조 시스템의 온도를 제어하는 단계(S6)는 S5 단계에서 계산된 실내온도값을 적용하기 위하여 공조 시스템을 제어하여 온도를 조절하는 단계이다. 실내온도값을 조절함으로써 최초에 측정되어 계산된 PMV-1값은 설정된 PMV-2 값에 가까워지기 때문에 재실자들은 쾌적한 환경을 느낄 수 있다.

한편, 온도를 조절하여 PMV-2값에 가까워지도록 하는 상황에서 다른 측정요소들이 변화에 의하여 PMV-1값이 지속적으로 변할 수 있다. 상기 PMV-1값은 일정 시간 간격으로 지속적으로 계산되며, 계산값은 설정된 PMV-2값과 계속적으로 비교되며 역연산되어 PMV-2값에 가깝도록 실내온도가 조절된다.

이와 같은 단계로 이루어진 본 발명의 동작 및 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명 장치는 건물 내부를 쾌적하게 하도록 하는 공조 시스템을 제어함에 있어서, 예상 온열감(PMV)을 계산하기 위한 4개의 자연적 요소와 2개의 인위적 요소를 측정 및 입력하고, 이를 바탕으로 PMV를 계산하여 그 값을 출력한다. 그리고 설정된 최적의 PMV값과 계산되어 출력된 PMV값을 비교하여 설정된 PMV값에 근접할 수 있도록 하는 실내온도를 역연산하여 온도를 제어하도록 하는 것을 주요 기술로 한다.

즉, PMV 계산에 필요한 현재 건물 내부의 자연적 요소들을 측정하고, 사람의 활동량 및 착의량과 같은 인위적인 요소들을 지표로 만들으 입력하여 PMV를 계산하고, 계산된 PMV와 설정된 PMV를 비교하여 계산된 PMV가 설정 PMV에 가까워지도록 요소룰 조절하되, 그 요소가 실내온도이다. 따라서, 실내온도를 조절함과 동시예 지속적으로 PMV 값이 계산되고 비교되어 최적의 온도를 맞추기 위하여 지속적인 제어를 한다. 이로 인하여 건물 내부의 사람들은 항상 최적의 환경에서 활동을 할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에서는 측정되는 자연요소중 하나인 평균 복사 온도를 직접 측정하는 것이 아니라 비교적 측정이 쉬운 다른 간접요소들의 측정을 통하여 계산하 여 얻어낼 수 있도록 한다. 즉, 종래에 평균 복사 온도를 측정하기 위한 고가의 장비를 들여오거나, 평균 복사 온도를 실내 온도와 동일한 값을 주어 PMV값을 계산하도록 하였지만, 본 발명에서는 직접 측정을 하는 고가의 장비가 아니라 다른 간접 요소를 측정하여 이를 통한 계산으로 평균 복사 온도 값을 산출함으로써 보다 정확한 PMV값을 얻을 수 있으며, 저렴한 장비를 통하여 이를 측정함으로써 시스템의 구축비를 절감할 수 있다.

상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예인 공조 시스템의 PMV 제어방법의 제어순서를 나타낸 플로우챠트,

도 2는 본 발명의 다른 실시예인 평균 복사 온도의 계산을 통한 공조 시스템의 PMV 제어방법의 제어순서를 나타낸 플로우챠트.

도 3 은 본 발명의 일 실시예인 공조 시스템의 PMV 제어방법중 앵글 팩터 계산을 위한 외주부 측면의 구조도.

Claims (5)

1. 건물 내부 및 외부의 온도, 기류속도, 상대 습도, 활동량, 착의량의 값을 각각 검출하는 단계;

   외기와 접하는 면의 절대 온도 값(T_rt,extwall)과, 내부 벽의 절대 온도 값(T_rt.otherwall)과, 외주부 측면의 앵글 팩터(F_extwall)를 측정하고 수식 2 를 사용하여 평균 복사 온도(T_mrt)를 산출하는 단계;

   상기 각각의 검출값을 사용하여 PMV값을 산출하는 단계;

   사용자가 지정한 설정 PMV값과 비교하는 단계;

   계산된 PMV 값이 설정 PMV값에 가까워지도록 하기 위한 실내온도값을 계산하는 단계;

   상기 산출된 실내온도값에 따라 공조 시스템의 온도를 제어하는 단계;

   로 이루어지는 공조 시스템의 PMV 제어방법.

   수식 2.

   

   (이때,T_rt,otherwall 는 외주부 측면의 절대온도, T_rt,extwall 은 기타 벽의 절대온도, F_extwall 은 외주부 측면의 앵글 팩터)
2. 제 1 항에 있어서,

   기류속도는 공조 시스템의 팬의 회전속도를 통하여 검출하고,

   활동량은 재실자들의 활동량 지표를 나타낸 표를 사용하여 시간대별 평균 활동량을 계산하여 산출하고,

   착의량은 복장의 항목별 지표를 나타낸 표를 사용하여 각 월별 평균 착의량을 계산하여 산출하도록 하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 PMV 제어방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 앵글 팩터(F_extwall)는 지점의 좌측 벽으로부터의 거리(a1)와, 지점의 우측 벽으로부터의 거리(a2)와, 지점의 높이값(c)과, 지점의 건물 층고값(H)과, MRT 펑션 블록의 파라미터를 사용하여 수식 3을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 PMV 제어방법.

   수식 3.

   

   여기에서,

   

   
5. 제 1 항에 있어서,

   설정 PMV 값을 만족시키는 설정 온도값과, 현재 PMV값과, 현재 PPD값을 출력하는 단계를 더 포함하는 공조 시스템의 PMV 제어방법.

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