KR101274935B1 - 습도 및 엔탈피 기반 건물 환기 제어 방법 - Google Patents

습도 및 엔탈피 기반 건물 환기 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실내외 엔탈피 및 쾌적범위 엔탈피를 기반으로 하여 적은 에너지로서 효과적으로 거주자에게 온열 쾌적감을 줄 수 있으며 실내 공기질을 향상시킬 수 있는 건물 환기 제어 방법을 제공한다.

Description

습도 및 엔탈피 기반 건물 환기 제어 방법{Method for control of ventilation in building based on moisture and enthalpy}
본 발명은 실내외 습도 및 엔탈피 차를 기반으로 하여 적은 에너지로서 효과적으로 거주자에게 온열 쾌적감을 줄 수 있으며 실내 공기질을 향상시킬 수 있는 건물 환기 제어 방법에 관한 것이다.
건물의 생애 주기를 약 30년으로 보았을 경우, 운영 단계에서의 생애 비용은 약 60-85%로 알려져 있다. 따라서 건물에 설치된 제어가능 시스템들(예를 들어, AHU, 보일러, 냉각기, 차양장치, 환기장치 등)의 최적 운영은 에너지 절감 달성에 큰 비중을 차지한다. 결국, 운영 단계에서 에너지 절감 가능성은 설계 또는 시공 단계에 투입된 노력과 비교하면 매우 높다.
건물 에너지 관리 시스템(BEMS; Building Energy Management System)은 컴퓨터 기반의 툴(computer-aided tools)로써, 건물 상태의 모니터링, 기기 제어, 최적화에 사용된다. 현재 대부분의 BEMS 운영은 전체적인 설비의 단순 제어 및 감시 기능만 수행하고, 에너지 관리에 대한 기능은 부분적으로 제공하고 있는 실정으로, 건물에 특화된 체계적인 에너지 관리 기능에 한계가 있다.
또한, 보다 현실적이고 실용적인 에너지 절감 가능 BEMS를 위해서는, 단순 건물운영 및 관리의 관점이 아니라 건물에서 발생하는 물리적 현상(building physics)에 대한 이해를 바탕으로 접근할 필요가 있다. 그러나 대부분의 BEMS 제어방법은, 이러한 물리적 현상에 기반을 둔 제어가 아닌 black-box approach 또는 운영자의 "직관" 또는 "경험"에 의해 운영되고 있다는 문제점이 있다.
한편, 건물 공기조화설비분야에서 에너지 절약 제어 방법의 하나로서 엔탈피 제어 방법을 들 수 있다. 엔탈피 제어 방법은 빌딩의 외부 공기 엔탈피와 빌딩 내의 공기 엔탈피의 차를 이용하여 빌딩의 공기조화설비를 가동하지 않고 빌딩 내의 부하를 제거하는 방법이다.
그러나 엔탈피 제어 방법에 의하면 건물 내의 부하를 제거할 수는 있으나 불필요한 환기로 인한 과다한 에너지 소비의 위험이 있으며 무엇보다도 건물 거주자의 온열 쾌적감을 고려하지 못한다는 단점이 존재한다. 더욱이, 대부분 외국의 제어 알고리즘과 제어 수식을 사용하고 있기 때문에 국내 실정에 맞지 않는 부분이 많다.
더욱이, 종래의 환기량 제어 방법은 주로 실내 CO2 및 VOC 농도를 기반으로 하기에, 거주자의 온열 쾌적감을 충족시키지 못할 뿐만 아니라 불필요한 환기로 인해 과다한 에너지 소비의 문제점마저 지니고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 거주자의 온열 쾌적감을 만족시키고 실내 공기질 향상을 도모하면서도 동시에 건물 에너지 소비를 저감시킬 수 있는 건물 환기 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 실내 온습도 센서 및 실외 온습도 센서로부터 실내 온습도 및 실외 온습도를 측정하는 단계; (b) 상기 측정된 실내 온습도 및 실외 온습도를 이용하여 실내 엔탈피 및 실외 엔탈피를 연산하는 단계; (c) 쾌적범위를 설정하는 단계; (d) 상기 설정된 쾌적범위로부터 쾌적범위 습도 및 엔탈피를 연산하는 단계; (e) 상기 실내 습도 및 엔탈피에서 상기 쾌적범위 습도 및 엔탈피에 이르는 환기량을 연산하는 단계; 및 (f) 상기 연산된 환기량에 이르도록 환기장치를 가동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 (f) 단계 이후, (g) 상기 환기장치 가동에 따라 변경된 실내 온습도를 측정하고 실내 엔탈피를 연산하는 단계; (h) 상기 (g)단계에서 연산된 실내 습도 및 엔탈피가 상기 쾌적범위 습도 및 엔탈피 내인지 여부를 판단하는 단계; 및 (i) 상기 (g)단계에서 연산된 실내 습도 및 엔탈피가 상기 쾌적범위 습도 및 엔탈피 내인 경우 상기 환기장치를 상기 환기장치의 기 설정된 최소 환기량으로 운전하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c) 단계에서 설정된 실내 쾌적범위는 거주자의 온열쾌적지수 (Predicted Mean Vote, PMV) 및 온열예상불만족율(Predicted Percentage dissatisfied, PPD)을 기반으로 기축 또는 신축 건물의 특성을 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (e) 단계에서 연산된 환기량은 실내외 및 쾌적범위의 습도 및 엔탈피 차를 동시에 고려하여 실내외 및 쾌적범위의 습도 또는 엔탈피가 동일한 조건에서도 환기장치가 가동되도록 연산하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해, 거주자에게 쾌적한 온열 환경을 제공하고 실내공기질이 향상됨과 동시에 불필요한 환기를 생략함으로써 건물 에너지 저감을 동시에 만족시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 건물 환기량 제어 방법을 수행하는 시스템을 도시한다.
도 2는, 본 발명에 따른 건물 환기량 제어 방법의 순서도를 도시한다.
도 3a은, 본 발명에 따른 쾌적범위를 도시한다.
도 3b는, 본 발명에 따른 쾌적범위의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 4b는, 본 발명에 따른 건물 환기량 제어 방법을 설명하기 위한 실시예의 도면들이다.
도 5a 내지 5b는, 본 발명에 따른 환기량 제어 방법의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법에 대하어 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 건물 환기량 제어 방법을 수행하는 시스템을 도시하며, 도 2는 본 발명에 따른 건물 환기량 제어 방법의 순서도를 도시한다.
건물(1)에는 하나 또는 다수의 실내 온습도 센서(10)가 각 실별 또는 배기구 주변에 설치되며, 신선한 외기가 건물 내로 공급되는 급기구 주변에는 실외 온습도 센서(20)가 설치된다. 각 센서의 설치 위치 및 개수에 제한이 없음은 물론이다.
건물(1)에는 환기량을 제어할 수 있는 환기장치(30)가 설치된다.
제어부(40)는 엔탈피 연산부(41), 쾌적범위 설정부(42), 환기량 연산부(43) 및 환기장치 제어부(44)로 이루어진다.
먼저, 실내 온습도 센서(10)와 실외 온습도 센서(20)를 이용하여 실내 및 실외 온습도가 측정된다(S100).
측정된 실내 및 실외 온습도는 제어부(40)의 엔탈피 연산부(41)에 인가되며, 엔탈피 연산부(41)는 실내 엔탈피 및 실외 엔탈피를 연산한다(S200).
한편, 제어부(40)의 쾌적범위 설정부(42)는 건물 사용자에게 온열 쾌적감을 주는 쾌적범위를 설정할 수 있다(S300).
쾌적범위에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
쾌적 범위는 거주자의 온열쾌적지수(Predicted Mean Vote, PMV) 및 온열예상불만족율(Predicted Percentage dissatisfied, PPD)을 기반으로 기축 또는 신축 건물의 특성을 고려하여 설정하며(도 3a) 거주자의 온열쾌적지수(PMV)는 다음의 수학식 1에 의하여 계산된다.
Figure 112011036268089-pat00001
여기에서, t는 공기의 온도(℃), p는 수증기 분압(kPa)이며 상기 수학식 1은 인체 대사량 1.0 met, 착의량 0.5 clo, 기류 속도 0.2 m/s 이하, 복사온도는 공기의 온도와 동일한 조건에 해당한다.
또한, 쾌적범위 설정부(42)는 설정된 쾌적범위의 엔탈피를 연산한다(S400).
제어부(40)의 환기량 연산부(43)는 S200에서 연산된 실내 엔탈피가 S400에서 연산된 쾌적범위 엔탈피에 이르도록 하는 환기량을 연산한다(S500).
도 5a 및 5b를 참조하여, 환기량 연산방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
환기량은 실내외 및 쾌적범위의 습도 및 엔탈피 차를 동시에 고려하여 실내외 및 쾌적범위의 온도/습도 또는 엔탈피가 동일한 조건에서도 환기장치가 가동되도록 연산하며 환기량은 다음의 수학식 2와 3에 의하여 계산된다. 실내외 엔탈피가 동일할 경우 수학식 2에 의하여 환기량을 연산하며 실내외 절대 습도가 동일할 경우 수학식 3에 의하여 환기량을 연산한다. 실내외 엔탈피 및 절대 습도가 모두 동일하지 않을 경우 수학식 2와 3에 의해 연산된 환기량을 비교하여 환기장치를 구동 한다.
Figure 112011036268089-pat00002
여기에서, V는 해당 실의 체적, V h는 실내외 및 쾌적범위의 절대 습도 차이를 고려한 환기량, w c는 쾌적범위 절대 습도, w i는 실내 절대습도, w o는 실외 절대습도이다.
Figure 112011036268089-pat00003
여기에서, V는 해당 실의 체적, V e는 실내외 및 쾌적범위의 엔탈피 차이를 고려한 환기량, h c는 쾌적범위 엔탈피, h i는 실내 엔탈피, h o는 실외 엔탈피이다.
제어부(40)의 환기장치 제어부(44)는 연산된 환기량에 따라 건물(1)의 환기장치(30)를 가동시킨다(S600).
다른 실시예에 따르면, 환기장치(30) 가동에 따라 변동되는 건물(1)의 실내 온습도가 실내 온습도 센서(10)에 의해 실시간으로 측정되고 실내 엔탈피가 실시간으로 연산되어, 실내 습도 및 엔탈피가 S400에서 연산된 쾌적범위 습도 및 엔탈피에 이른 것으로 판단된 경우(S700) 환기장치를 최소 환기량으로 운전한다.
도 4a 내지 도 4b를 참조하여 본 발명에 따른 제어 방법을 구체적으로 검토한다. "A"는 설정된 쾌적범위를 지칭하고, "B"는 엔탈피를 지칭한다.
도 4a의 실시예는, 실외 조건(a1)은 저온 저습하며, 실내 조건(a4)은 고온 다습한 경우이다. 실내외 절대습도 차이(a5-a2) 및 엔탈피 차이(a6-a3)에 따라, 건물의 환기장치는 실내의 습도 및 엔탈피를 감소시키는 방향으로 구동된다.
도 4b의 실시예는, 실외 조건(b1)은 저온 고습하며, 실내 조건(b4)은 고온 저습하고 실내외 절대습도가 동일한 경우이다. 실내외 엔탈피 차이(b6-b3)에 따라, 건물의 환기장치는 실내의 엔탈피를 감소시키는 방향으로 구동된다.
도 4c의 실시예는, 실외 조건(c1)은 저온 고습하며, 실내 조건(c4)은 고온 저습한 경우이다. 실내외 온습도 차이(c5-c2)에 따라, 건물의 환기장치는 실내 습도를 증가시키는 방향으로 구동된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 건물
10: 실내 온습도 센서
20: 실외 온습도 센서
30: 환기장치
40: 제어부
41: 엔탈피 연산부
42: 쾌적범위 설정부
43: 환기량 연산부
44: 환기장치 제어부

Claims (11)

  1. (a) 실내 온습도 센서 및 실외 온습도 센서로부터 실내 온습도 및 실외 온습도를 측정하는 단계;
    (b) 상기 측정된 실내 온습도 및 실외 온습도를 이용하여 실내 엔탈피 및 실외 엔탈피를 연산하는 단계;
    (c) 쾌적범위를 설정하는 단계;
    (d) 상기 설정된 쾌적범위로부터 쾌적범위 엔탈피를 연산하는 단계;
    (e) 상기 실내 엔탈피에서 상기 쾌적범위 엔탈피에 이르는 환기량을 연산하는 단계; 및
    (f) 상기 연산된 환기량에 이르도록 환기장치를 가동하는 단계
    를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서 설정된 쾌적범위는 기 설정된 것이며,
    상기 (c) 단계의 기 설정된 쾌적범위는, 건물의 거주자의 온열쾌적지수(PMV) 및 온열예상불만족율(PPD)을 기반으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (f) 단계 이후,
    (g) 상기 환기장치 가동에 따라 변경된 실내 온습도를 측정하고 실내 엔탈피를 연산하는 단계;
    (h) 상기 (g)단계에서 연산된 실내 엔탈피가 상기 쾌적범위 엔탈피 내인지 여부를 판단하는 단계; 및
    (i) 상기 (g)단계에서 연산된 실내 엔탈피가 상기 쾌적범위 엔탈피 내인 경우 상기 환기장치를 상기 환기장치의 기 설정된 최소 환기량으로 운전하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 온열쾌적지수(PMV)는 하기의 수식에 의하여 연산되며,
    Figure 112013019812436-pat00004

    여기에서, t는 공기의 온도(℃)이며, p는 수증기 분압(kPa)인 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실내외 습도는 절대습도이며, 그리고,
    상기 (e) 단계에서, 상기 실내외 엔탈피가 동일한 경우 상기 환기량(V h )은 상기 실내외 절대습도에 따라 연산되며, 그리고 상기 실내외 절대습도가 동일한 경우 상기 환기량(V e )은 상기 실내외 엔탈피에 따라 연산되는 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서, 상기 실내 엔탈피와 상기 실외 엔탈피가 동일한 경우 상기 환기량(V h )은 하기의 수식에 의해 연산되며,
    Figure 112011036268089-pat00005

    여기에서, V는 상기 실내의 체적, w c는 상기 쾌적범위의 절대습도, w i는 상기 실내의 절대습도, w o는 상기 실외의 절대습도인 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서, 상기 실내의 절대습도와 상기 실외의 절대습도가 동일한 경우 상기 환기량(V e )은 하기의 수식에 의해 연산되며,
    Figure 112011036268089-pat00006

    여기에서, V는 상기 실내의 체적, h c는 상기 쾌적범위의 엔탈피, h i는 상기 실내의 엔탈피, h o는 상기 실외의 엔탈피인 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서의 상기 측정된 실내 온습도가 고온 다습이고, 상기 측정된 실외 온습도가 저온 저습인 경우,
    상기 (e) 단계에서 연산된 환기량은 상기 실내 습도 및 상기 실내 엔탈피가 감소하도록 연산되는 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서의 상기 측정된 실내 온습도가 고온 저습이고, 상기 측정된 실외 온습도가 저온 고습이고, 상기 측정된 실내외 습도가 동일한 경우,
    상기 (e) 단계에서 연산된 환기량은 상기 실내 엔탈피가 감소하도록 연산되는 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서의 상기 측정된 실내 온습도가 고온 저습이며, 상기 측정된 실외 온습도가 저온 고습인 경우,
    상기 (e) 단계에서 연산된 환기량은 상기 실내 습도가 증가하도록 연산되는 것을 특징으로 하는,
    습도 및 엔탈피 기반 건물 환기량 제어 방법.
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