KR101278245B1 - 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템 - Google Patents

실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

공기 질 예측 제어 기능을 가지는 공조 시스템이 개시된다. 상기 공조 시스템은: 실내 공간 내의 이산화탄소량을 검출하는 제1 이산화탄소 검출 유닛; 상기 실내 공간 내의 미세먼지량을 검출하는 제1 미세먼지 검출 유닛; 상기 실내 공간 내의 온도를 검출하는 제1 온도 검출 유닛; 실외의 이산화탄소량을 검출하는 제2 이산화탄소 검출 유닛; 상기 실외의 미세먼지량을 검출하는 제2 미세먼지 검출 유닛; 상기 실외의 온도를 검출하는 제2 온도 검출 유닛; 실외 공기의 유입량을 조절하는 흡기 댐퍼; 및 일정 시간 간격을 두고 상기 제1 이산화탄소 검출 유닛에 의해 검출된 실내 이산화탄소량들, 상기 제1 미세먼지 검출 유닛에 의해 검출된 실내 미세먼지량들, 및 상기 제1 온도 검출 유닛에 의해 검출된 실내 온도들을 반복 스캔하고, 그들 각각의 변화 추이를 분석하고 그 분석된 변화 추이로부터 외부 공기 유입 보정률을 산출하고, 상기 제2 이산화탄소 검출 유닛에 의해 검출된 실외 이산화탄소량, 상기 제2 미세먼지 검출 유닛에 의하여 검출된 실외 미세먼지량, 상기 제2 온도 검출 유닛에 의하여 검출된 실외 온도, 상기 검출된 실내 이산화탄소량, 상기 검출된 실내 미세먼지량, 상기 검출된 실내 온도, 및 상기 보정률를 이용한 수학식 1과 같이 개도율을 산출하고, 그 산출된 개도율에 따라 상기 흡기 댐퍼을 제어하는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 공조 시스템.
[수학식 1]
개도율 = (1+α)*[{((실내 CO2 량 - 실외 CO2 량)/실외 CO2 량)*100} + {((실내 미세먼지 량 - 실외 미세먼지 량)/실외 미세먼지 량)*100} + {100 ± (실내 온도 - 실외 온도)*2}] / 3
수학식 1에 있어서, "α"는 상기 보정률이다.

Description

실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템{Air conditioner with function of predictively controlling indoor-air quality}
본 발명은 실내 공기를 조절하는 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템에 관한 것이다.
사람의 신체가 쾌적함을 느낄 수 있는 대기 중 산소의 량은 대략 22~23% 정도이다. 대기 중 산소의 량은 대략 20.9% 정도의 대기 중 산소량은 사람의 신체에 아무런 장애를 주지 않는가. 이와는 달리, 대기 중 산소량이 17% 이하로 적어지게 되면, 인간은 시력저하 현상 등과 같은 신체적 이상을 겪게 된다.
또한, 대기 중 이산화탄소(CO) 분포는 대략 0.01~0.1% (평균 0.032%) 정도이나, 실내는 사람의 호흡으로 배출되는 대략 2~22"ℓ/hr"의 이산화탄소의 량으로 인하여 빠르게 높이질 수 있다. 게다가, 사람이 대략 5% 정도의 이산화탄소(CO2) 분포를 가지는 공기에 장시간 노출되는 경우, 의식을 잃거나 사망할 수도 있다.
최근의 탄소 배출 최소화 및 에너지 이용 효율화 추세는 실내 공간의 밀폐 기간이 길어지게 하여 외부 공기의 실내 유입(즉, 자연 통풍)이 충분하게 이루어질 수 없게 한다. 그런 만큼, 실내에서는 유효물질인 산소(O2) 및 습도(H2O)는 감소하는 반면, 유해물질인 이산화탄소(CO) 및 미세먼지는 증가할 수밖에 없다. 게다가, 많은 가전기기의 사용은 실내의 열 부하를 급속하게 증가시킬 수 있다. 그로 인하여, 실내 공기의 질은 심각하게 낮아질 수밖에 없고 내실자는 불쾌감을 느끼게 될 수밖에 없다.
이러한 불쾌감을 제거하고 보다 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위하여, 온도 및 습도 등을 제어하는 공조 시스템이 많이 사용되고 있다. 그러나, 기존의 공조 시스템들로서는, 온도, 습도, 공기 유속, 복사 온도와 같은 실내의 물리적 환경과 인간의 온열감 사이의 상관성을 모두 고려하여 공조 동작을 효율적으로 수행하기에는 어려움이 있었다.
이러한 관점에서, 온열 환경의 복합적인 요소가 인체에 미치는 영향을 정량적으로 표현하고 그것을 통해 간단하고 정확하게 쾌적한 온열환경의 범위를 제시하기 위한 많은 온열 환경 지표들이 개발되어 사용되고 있다. 그 중에서도 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)를 중심으로 미국에서 사용되고 있는 신유효온도(New Effective Temperature : ET)와, ISO(the International Organization for Standardization) 7730으로 채택되어 유럽에서 사용되는 예상 온열감(Predicted Mean Vote : PMV) 및 예상 불만족률(Predicted Percentage of Dissatisfied : PPD)이 대표적인 온열 환경 지표로서 사용되고 있다.
상기 예상 온열감(PMV)은 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소인 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량을 측정하여 인체의 열평형에 기초한 방정식에 대입함으로써, 인간이 느끼는 최적의 쾌적감을 이론적으로 예측하는 지표가 된다. 이는 하기 수학식 1과 같이 표시된다.
[수학식 1]
Figure 112013024095817-pat00001
수학식 1에 있어서, "M"은 활동량, "W"는 기류속도, "H"는 습도, "Ec"는 피부증발량, "Cres"는 대류에 의한 호흡량, "Eres"는 증발에 의한 호흡량을 나타낸다. 상기 수학식 1를 통해 산출되어진 예상 온열감(PMV)은 표 1과 같이 7단계의 온열감의 척도로 표현될 수 있다.
+3 +2 +1 0 -1 -2 -3
덥다 약간 덥다 따뜻하다 최적 기준 서늘하다 싸늘하다 춥다
또한, 상기 예상 불만족률(PPD)은 표 1에서와 같이 설정된 온열감의 척도를 이용하여 현재 환경에 대해 만족하지 않는 사람의 예상 비율을 나타낼 수 있다. 다시 말하여, 상기 예상 온열감(PMV)의 값이 수학식 1을 통해 결정되면, 수학식 2와 같이 상기 예상 불만족률(PPD)이 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112013024095817-pat00002
이렇게 산출된 예상 온열감(PMV)과 예상 불만족률(PPD)의 범위에 만족하는 실내의 온도 및 습도 조건으로 공조 동작을 수행하는 공조시스템이 한국등록특허 제 10-0275558호에 개시되었다. 이 경우, 예상 온열감(PMV)과 예상 불만족률(PPD)만이 적용되기 때문에 내실자가 느끼는 불쾌감의 해소는 물론 보다 쾌적함을 제공하기에는 많은 한계를 안고 있다.
상기 한국등록특허 제10-0275558호의 공조 시스템이 안고 있는 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 2단계 공기 조화 모드를 수행하는 한국등록특허 제10-0672586호가 개시되었다. 상기 한국등록특허 제10-0672586호에 따르면, 수학식 3과 같이 표현되는 실내 공기 만족도(Predicted Percentage Indoor Satisfied; PPIS) 및 내실자의 쾌적 만족도를 극대화하기 위하여, 예상 온열감(PMV)이 최적 범위에 도달하도록 제1 공기 조화 모드가 수행된 후, 이어서 산소 및 테프펜과 같은 활성물질을 발생시키는 제2 공기 조화 모드가 수행된다.
[수학식 3]
Figure 112013024095817-pat00003
Figure 112013024095817-pat00004
그러나, 상기 한국등록특허 제10-0672586호에 개시된 공조 시스템에서는 외부의 환경은 물론 계절적인 환경 변화 요인들이 전혀 고려되지 않고 있다. 이로 인하여, 효율적인 공기 조화 동작이 수행되기 곤란할 뿐만 아니라 소비 전력이 클 수밖에 없다.
한국등록특허 제10-0275558호 (2000년 09월 21일) 한국등록특허 제10-0672586호 (2007년 01월 16일)
본 발명의 실시 예들은 상기한 문제점을 해결하기 위한 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템에 관한 것이다.
본 실시 예들은 실내의 공기 질을 향상시키게 적합한 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 실시 예들은 실내의 공기 조화를 효율적으로 수행하기에 적합한 실실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템을 제공하는 것이다.
나아가, 본 실시 예들은 소비 전력을 최소화하기에 적합한 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 공조기는: 실내 공간 내의 이산화탄소량을 검출하는 제1 이산화탄소 검출 유닛; 상기 실내 공간 내의 미세먼지량을 검출하는 제1 미세먼지 검출 유닛; 상기 실내 공간 내의 온도를 검출하는 제1 온도 검출 유닛; 실외의 이산화탄소량을 검출하는 제2 이산화탄소 검출 유닛; 상기 실외의 미세먼지량을 검출하는 제2 미세먼지 검출 유닛; 상기 실외의 온도를 검출하는 제2 온도 검출 유닛; 실외 공기의 유입량을 조절하는 흡기 댐퍼; 및 일정 시간 간격을 두고 상기 제1 이산화탄소 검출 유닛에 의해 검출된 실내 이산화탄소량들, 상기 제1 미세먼지 검출 유닛에 의해 검출된 실내 미세먼지량들, 및 상기 제1 온도 검출 유닛에 의해 검출된 실내 온도들을 반복 스캔하고, 그들 각각의 변화 추이를 분석하고 그 분석된 변화 추이로부터 외부 공기 유입 보정률을 산출하고, 상기 제2 이산화탄소 검출 유닛에 의해 검출된 실외 이산화탄소량, 상기 제2 미세먼지 검출 유닛에 의하여 검출된 실외 미세먼지량, 상기 제2 온도 검출 유닛에 의하여 검출된 실외 온도, 상기 검출된 실내 이산화탄소량, 상기 검출된 실내 미세먼지량, 상기 검출된 실내 온도, 및 상기 보정률를 이용한 수학식 1과 같이 개도율을 산출하고, 그 산출된 개도율에 따라 상기 흡기 댐퍼을 제어하는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 공조 시스템.
[수학식 1]
개도율 = (1+α)*[{((실내 CO2 량 - 실외 CO2 량)/실외 CO2 량)*100} + {((실내 미세먼지 량 - 실외 미세먼지 량)/실외 미세먼지 량)*100} + {100 ± (실내 온도 - 실외 온도)*2}] / 3
수학식 1에 있어서, "α"는 상기 보정률이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 실외 공기의 질에 따라 미세먼지 필터, 이산화탄소 제거기, 산소 발생기 및 가습기가 구동되거나 또는 외부 공기가 유입되어 환경 예측 만족도(PPIS) 및 쾌적한 환경을 유지할 수 있다. 그런 만큼, 실내 공기의 질을 향상시킬 수 있다.
또한, 실내외의 유해 물질 및 유효 물질의 차이에 근거한 외부 공기의 유입량이 산출되게 하고, 실내의 환경 물질의 변화 추이에 따른 보정률 만큼 상기 외부 공기 유입량이 증가하게 한다. 그런 만큼, 본 발명의 실시 예에 따른 공조 시스템은 실내 공간의 공기 질을 예측 제어할 수 있다.
게다가, 실내외 온도 차가 클 경우 외부 공기의 유입량이 적어지기 때문에 실내 온도의 급속한 하강 및 상승이 억제될 수 있다. 실내외 온도 차가 작은 경우에는 외부 공기의 유입량이 많아지기 때문에 외부 공기의 신속한 유입이 가능하다. 그런 만큼, 본 발명의 실시 예에 따른 공조 시스템은 실내의 공기 조화를 효율적으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라 불필요한 전력 소모를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 공조 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 제어 모듈을 상세하게 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공조 시스템의 공기 질 예측 제어 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 4은 온도에 따른 기류 속도의 특성을 설명하는 그래픽 도면이다.
도 5는 예상 온열감에 따른 및 괘적성 지표를 설명하는 그래픽 도면이다.
도 6는 인원 수에 따른 이산화탄소의 증가 특성을 설명하는 그래픽 도면이다.
도 7은 인원 수에 따른 산소 감소 특성을 설명하는 그래팩 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 따른 공기 질 예측 제어 기능을 가진 공조 시스템이 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 본 발명의 실시 예들의 상세한 설명에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 공조 시스템을 개략적으로 도시한다. 도 1을 참조하면, 상기 공조 시스템은: 공조 닥트(30)로부터의 공기를 실내 공간(100) 쪽으로 안내하는 공급 닥트(40); 상기 실내 공간(100)의 공기를 상기 공조 닥트(30) 쪽으로 안내하는 귀환 닥트(50); 상기 귀환 닥트(50)와 연결된 배기 닥트(60); 상기 공조 닥트(30)와 연결된 흡기 닥트(70)를 포함한다. 또한, 상기 공조 시스템은 상기 공조 닥트(30)와 연결된 열 기관 및 냉 기관을 포함한다. 게다가, 상기 공조 시스템은 가습기(80) 및 산소 발생기(82)를 더 포함할 수 있다.
상기 열 기관은 가열 코일(10), 보일러(12) 및 열 공급 밸브(14)를 포함할 수 있다. 상기 가열 코일(10)은 상기 공조 닥트(30) 내에 배치되어 상기 보일러(12)로부터 공급되는 열을 이용하여 상기 공조 닥트(30)를 경유하는 공기를 가열할 수 있다. 상기 보일러(12)는 상기 가열 코일(10)과 순환 루프 형태로 연결되어 상기 가열 코일(10)에 열을 공급할 수 있다. 상기 열 공급 밸브(14)는 상기 보일러(12)와 상기 가열 코일(10) 사이의 순환 경로에 배치되어 상기 보일러(12)로부터 상기 가열 코일(10)에 공급되는 열의 량을 조절할 수 있다.
상기 냉 기관은 냉각 코일(20), 냉동기(22) 및 냉매 공급 밸브(24)를 포함할 수 있다. 상기 냉각 코일(20)은 상기 공조 닥트(30) 내에 상기 가열 코일(10)과 인접하게 배치되어 상기 냉동기(22)로부터의 냉매를 이용하여 상기 공조 닥트(30)를 경유하는 공기를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉동기(22)는 상기 냉각 코일(20)과 순환 루프 형태로 연결되어 상기 냉각 코일(20)에 냉매를 공급할 수 있다. 상기 냉매 공급 밸브(24)는 상기 냉각 코일(20)와 상기 냉동기(22) 사이의 순환 경로에 배치되어 상기 냉동기(22)로부터 상기 냉각 코일(10)에 공급되는 냉매의 량을 조절할 수 있다.
상기 공조 닥트(30)는 가열 또는 냉각된 공기를 상기 공급 닥트(40)를 경유하여 상기 실내 공간(100)에 공급할 수 있다. 또한, 공조 닥트(30)는 상기 가습기(80)에서 발생된 습기와 상기 산소 발생기(82)에서 발생된 산소를 상기 공급 닥트(40) 쪽으로 안내할 수도 있다. 이를 위하여 상기 공조 닥트(30)는 배플 플레이트(32), 공기 필터(34) 및 엘리미네이터(35)를 포함할 수 있다. 상기 배플 플레이트(32)는 상기 귀환 닥트(50) 및 상기 흡입 닥트(70)와 인접한 상기 공조 닥트 내에 배치될 수 있다. 상기 배플 플레이트(32)는 상기 귀환 닥트(50)로부터의 귀환 공기와 상기 흡입 닥트(70)로부터의 외부 공기를 혼합할 수 있다. 상기 공기 필터(34)는 상기 공조 닥트(30) 내의 상기 냉각 코일(20) 및 상기 배플 플레이트(32) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 공기 필터(34)는 상기 배플 플레이트(32)로부터 상기 냉각 코일(20) 및 상기 가열 코일(10) 쪽으로 흘러가는 혼합된 공기를 필터링 할 수 있다. 상기 엘리미네이터(36)는 상기 공급 닥트(40)와 인접한 상기 공조 닥트(30) 내에 배치될 수 있다. 또한, 상기 엘리미네이터(36)는 상기 가열 코일(10) 및 상기 냉각 코일(20) 쪽으로부터 상기 공급 닥트(40) 쪽으로 흘러가는 가열 또는 냉각된 공기, 상기 가습기(80)로부터 상기 공급 닥트(40) 쪽으로 흘러가는 습기, 및 상기 산소 발생기(82)로부터 상기 공급 닥트(40) 쪽으로 흘러가는 산소에 포함된 수분을 제거할 수 있다.
상기 공급 닥트(40)는 상기 공조 닥트(30)로부터의 가열 또는 냉각된 공기, 습기 및 산소를 상기 실내 공간(100) 쪽으로 안내할 수 있다. 또한, 상기 공급 닥트(40)은 송풍 팬(42)을 포함할 수 있다. 상기 송풍 팬(42)은 상기 공조 닥트(30)와 인접한 상기 공급 닥트(40) 내에 배치될 수 있다. 이러한 송풍 팬(42)는 상기 공조 닥트(30) 내의 공기, 습기 및 산소를 상기 실내 공간(100) 쪽으로 강제적으로 주입할 수 있다.
상기 귀환 닥트(50)는 상기 실내 공간(100) 내의 공기를 상기 공조 닥트(30) 쪽으로 귀환시킬 수 있다. 이를 위하여, 상기 귀한 닥트(50)는 환풍 팬(52) 및 공기 귀환 댐퍼(54)를 포함할 수 있다. 상기 환풍 팬(52)는 상기 실내 공간(100)과 인접한 상기 귀환 닥트(50) 내에 배치될 수 있다. 또한, 상기 환풍 팬(52)는 상기 실내 공간(100) 내의 공기를 상기 공조 닥트(30) 쪽으로 강제적으로 귀환시킬 수 있다. 상기 공기 귀환 댐퍼(54)는 상기 공조 닥트(30)와 인접한 상기 귀환 닥트(50) 내에 배치될 수 있다. 이러한 공기 귀환 댐퍼(54)는 상기 귀환 닥트(50)로부터 상기 공조 닥트(30)에 공급된 귀환 공기의 량을 조절할 수 있다.
상기 배기 닥트(60)는 상기 환풍 팬(52)과 상기 공기 귀한 댐퍼(54) 사이의 상기 귀환 닥트(50)로부터 분기될 수 있다. 그런 만큼, 상기 배기 닥트(60)는 상기 귀환 닥트(50)를 경유하는 귀환 공기의 일부를 외부로 배출할 수 있다. 상기 배기 닥트(60)는 배기 댐퍼(62)를 포함할 수 있다. 상기 배기 댐퍼(62)는 상기 배기 닥트(60)의 내부에 설치될 수 있다. 이러한 배기 댐퍼(62)는 상기 귀환 닥트(50)로부터 외부로 배출될 귀환 공기의 량을 조절할 수 있다.
상기 흡기 닥트(70)는 외부의 공기를 상기 공조 닥트(30) 쪽으로 안내할 수 있다. 또한, 상기 흡기 닥트(70)는 흡기 댐퍼(72)를 포함할 수 있다. 상기 흡기 댐퍼(72)는 상기 공조 닥트(30)와 인접한 상기 흡기 닥트(70) 내부에 배치될 수 있다. 이러한 흡기 댐퍼(72)는 상기 흡기 닥트(70)를 경유하여 상기 공조 닥트(30)에 공급될 외부 공기의 량을 조절할 수 있다.
상기 가습기(80)은 습기를 발생할 수 있다. 상기 가습기(80)에서 발생된 습기는 상기 공조 닥트(30) 및 상기 공급 닥트(40)을 경유하여 상기 실내 공간(100)에 공급될 수 있다. 한편, 상기 산소 발생기(82)는 산소를 발생할 수 있다. 상기 산소 발생기(82)에서 발생된 산소는 상기 공조 닥트(30) 및 상기 공급 닥트(40)를 경유하여 상기 실내 공간(100)에 공급될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 공조 시스템은 상기 실내 공간(100)에 배치된 제1 산소 검출 유닛(1A), 제1 이산화탄소 검출 유닛(2A), 제1 미세먼지 검출 유닛(3A), 제1 온도 검출 유닛(4A) 및 제1 습도 검출 유닛(5A)을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 상기 공조 시스템은 실외에 배치된 제2 산소 검출 유닛(1B), 제2 이산화탄소 검출 유닛(2B), 제2 미세먼지 검출 유닛(3B), 제2 온도 검출 유닛(4B) 및 제2 습도 검출 유닛(5B)을 추가로 포함할 수 있다. 나아가, 상기 공조 시스템은 상기 제1 및 제2 산소 검출 유닛(1A,1B), 상기 제1 및 제2 이산화탄소 검출 유닛(2A,2B), 상기 제1 및 제2 미세먼지 검출 유닛(3A,3B), 상기 제1 및 제2 온도 검출 유닛(4A,4B), 그리고 상기 제1 및 제2 습도 검출 유닛(5A,5B)과 전기적으로 연결된 제어 모듈(90)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1 산소 검출 유닛(1A)은 상기 실내 공간(100) 내의 공기 중 산소량을 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 상기 제2 산소 검출 유닛(1B)은 실외의 공기 중 산소량을 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 이들 제1 및 제2 산소 검출 유닛(1A,1B)은 산소 센서를 포함하는 상용의 검출 유닛에 의하여 구현될 수 있다.
상기 제1 이산화탄소 검출 유닛(2A)은 상기 실내 공간(100) 내의 공기 중 이산화탄소량을 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 상기 제2 이산화탄소 검출 유닛(2B)은 상기 실외의 공기 중 이산화탄소량을 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 이들 제1 및 제2 이산화탄소 검출 유닛(2A,2B)은 이산화탄소 센서를 포함하는 상용의 검출 유닛에 의하여 구현될 수 있다.
상기 미세먼지 검출 유닛(3A)은 상기 실내 공간(100) 내의 공기 중 미세먼지량을 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 상기 제2 미세먼지 검출 유닛(3B)은 상기 실외의 공기 중 미세먼지량을 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 이들 제1 및 제2 미세먼지 검출 유닛(3A,3B)은 미세먼지 센서를 포함하는 상용의 검출 유닛에 의하여 구현될 수 있다.
상기 제1 온도 검출 유닛(4A)은 상기 실내 공간(100) 내의 온도를 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 상기 제2 온도 검출 유닛(4B)은 상기 실외의 온도를 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 이들 제1 및 제2 온도 검출 유닛(4A,4B)은 온도 센서를 포함하는 상용의 검출 유닛에 의하여 구현될 수 있다.
상기 제1 습도 검출 유닛(5A)은 상기 실내 공간(100) 내의 습도를 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 상기 제2 습도 검출 유닛(5B)은 상기 실외의 습도를 검출하여 상기 제어 모듈(90)에 공급할 수 있다. 이들 제1 및 제2 습도 검출 유닛(5A,5B)은 습도 센서를 포함하는 상용의 검출 유닛에 의하여 구현될 수 있다.
상기 실내 공간(100)의 공기 조화를 위하여, 상기 제어 모듈(90)은 상기 송풍 팬(42) 및 상기 환풍 팬(52)을 구동할 수 있다. 이와 더불어, 상기 제어 모듈(90)은 상기 열 기관 및 상기 냉 기관을 선택적으로 구동할 수 있다. 다시 말하여, 상기 제어 모듈(90)은 상기 열 기관에 포함된 상기 보일러(12) 및 상기 열 공급 밸브(14) 또는 상기 냉 기관에 포함된 상기 냉동기(22) 및 상기 냉매 공급 밸브(24)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어 모듈(90)은 상기 귀환 댐퍼(54)의 개도율을 제어하여 상기 실내 공간(100)으로부터 상기 공조 닥트(30) 쪽으로 귀환되는 귀환 공기의 량을 조절함은 물론, 상기 배기 댐퍼(62)의 개도율을 제어하여 외부로 배출될 귀환 공기의 량을 조절할 수 있다.
나아가, 상기 제어 모듈(90)은 상기 실내 공간(100) 내의 공기 질을 예측 제어할 수 있다. 이를 위하여, 상기 제어 모듈(90)은 상기 제1 산소, 이산화탄소, 미세먼지, 온도 및 습도 검출 유닛들(1A,2A,3A,4A,5A)에 의해 검출된 실내 공간(100) 내의 산소량, 이산화탄소량, 미세먼지량, 온도 및 습도, 그리고 상기 제2 산소, 이산화탄소, 미세먼지, 온도 및 습도 검출 유닛들(1B,2B,3B,4B,5B)에 의해 검출된 실외의 산소량, 이산화탄소량, 미세먼지량, 온도 및 습도에 근거하여 상기 흡기 댐퍼(72)의 개도율의 조절 또는 상기 가습기(80), 상기 산소 발생기(82), 상기 먼지 필터(84) 및 상기 이산화탄소 제거기(86)의 동작을 제어할 수 있다. 본 발명에서 공기의 질을 측정하기 위하여 이산화탄소 센서 등 검출유닛에서 공기중에 포함된 각성분의 량을 측정 할 수 있는 검출유닛에는 본 분야에서 공지된 감지 센서를 이용하는 것이어서 구체적 설명을 생략하며 공기의 질을 측정하기 위하여 상기한 제1 산소, 이산화탄소, 미세먼지, 온도 및 습도 검출 유닛들(1A,2A,3A,4A,5A)에 의해 검출된 실내 공간(100) 내의 산소량, 이산화탄소량, 미세먼지량, 온도 및 습도, 그리고 상기 제2 산소, 이산화탄소, 미세먼지, 온도 및 습도 검출 유닛들 뿐 만아니라 공기속에 포함된 유해물질을 감지하여 측정 할 수 있는 포름알데히드를 측정하여 검출 할수 있는 여러 형태의 검출유닛이 포함 될수 있으나 발명의 명확한 이해와 설명의 편의를 위하여
기 제어 모듈(90)은 상기 제1 산소, 이산화탄소, 미세먼지, 온도 및 습도 검출 유닛들(1A,2A,3A,4A,5A)에 의해 검출된 실내 공간(100) 내의 산소량, 이산화탄소량, 미세먼지량, 온도 및 습도, 그리고 상기 제2 산소, 이산화탄소, 미세먼지, 온도 및 습도 검출 유닛들(1B,2B,3B,4B,5B)에 의해 검출된 실외의 산소량, 이산화탄소량, 미세먼지량, 온도 및 습도등을 검출하는 검출유닛만을 나열한 것 일뿐 이에 한정되지 아니한다.
상기 제어 모듈(90)에 의하여 수행되는 공기 질 예측 제어는 도 3의 흐름도를 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어 모듈을 상세하게 도시하는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 상기 제어 모듈(90)은 CPU(Central Process Unit; 200), 신호 입력부(210), 신호 출력부(220), 키 입력부(230), 음성 출력부(240), 표시부(250) 및 메모리(260)를 포함할 수 있다.
상기 신호 입력부(210)는 상기 제1 및 제2 산소 검출 유닛(1A,1B), 상기 제1 및 제2 이산화탄소 검출 유닛(2A,2B), 상기 제1 및 제2 미세먼지 검출 유닛(3A,3B), 상기 제1 및 제2 온도 검출 유닛(4A,4B), 그리고 상기 제1 및 제2 습도 검출 유닛(5A,5B)와 전기적으로 접속된다. 상기 신호 입력부(210)은 상기 제1 및 제2 산소 검출 유닛(1A,1B)으로부터의 검출된 상기 실내 공간 및 실외의 공기 중 산소량들, 상기 제1 및 제2 이산화탄소 검출 유닛(2A,2B)으로부터의 상기 실내 공간(100) 및 실외의 공기 중 이산화탄소량들, 상기 제1 및 제2 미세먼지 검출 유닛(3A,3B)으로부터의 상기 실내 공간(100) 및 실외의 공기 중 미세먼지량들, 상기 제1 및 제2 온도 검출 유닛(4A,4B)으로부터의 상기 실내 공간(100) 및 실외의 온도들, 그리고 상기 제1 및 제2 습도 검출 유닛(5A,5B)으로부터의 상기 실내 공간(100) 및 실외의 습도를 입력하여 상기 CPU(200)에 공급할 수 있다. 이러한 신호 입력부(210)는 아날로그 입력 회로 및 디지탈 입력 회로를 포함하는 상용의 입력 장치에 의해 구현될 수 있다.
상기 신호 출력부(220)은 도 1에 도시된 상기 보일러(12), 상기 열 공급 밸브(14), 상기 냉각기(22), 상기 냉매 공급 밸브(24), 상기 송풍 팬(42), 상기 환풍 팬(52), 상기 귀환 댐퍼(54), 상기 배기 댐퍼(62), 상기 흡기 댐퍼(72), 상기 가습기(80), 상기 산소 발생기(82), 상기 먼지 필터(84) 및 상기 이산화탄소 제거기(86)와 전기적으로 연결된다. 또한, 신호 출력부(220)는 상기 CPU(200)에 의해 생성된 구동 신호를 상기 보일러(12), 상기 냉각기(22), 상기 송풍 팬(42), 상기 환풍 팬(52), 상기 가습기(80), 상기 산소 발생기(82), 상기 먼지 필터(84) 및 상기 이산화탄소 제거기(86)에 공급할 수 있다. 또한, 신호 출력부(220)는 상기 CPU(200)에 의해 생성된 개도율 제어 신호를 상기 열 공급 밸브(14), 상기 냉매 공급 밸브(24), 상기 귀환 댐퍼(54), 상기 배기 댐퍼(62) 및 상기 흡기 댐퍼(72)에 공급할 수 있다. 이를 위하여, 상기 신호 출력부(220)는 아날로그 출력 회로 및 디지탈 출력 회로 등을 포함하는 상용의 출력 장치에 의하여 구현될 수 있다.
상기 키 입력부(230)는 사용자가 입력하는 운전 개시/중지, 냉/난방 공조 모드, 자동 공조 모드, 송풍 모드 등과 같은 명령들을 상기 CPU(200)에 전달할 수 있다. 또한, 상기 키 입력부(230)는 사용자가 입력하는 사용자 요청 온도를 상기 CPU(200)에 전달할 수도 있다. 이를 위하여, 상기 키 입력부(230)는 키 스위치들을 포함하는 상용의 키 패드에 의해 구현될 수 있다.
상기 음성 출력부(240)는 상기 CPU(200)의 제어하에 상기 메모리(260)에 저장된 음성 메세지를 출력할 수 있다. 상기 음성 메세지는 상기 실내 공간(100) 내의 공기 질이 심각하게 낮은 경우 이를 내실자에게 알리기 위한 음성 경보를 포함할 수 있다. 이러한, 음성 출력부(240)는 통상의 음성 합성 회로에 의하여 구현될 수 있다.
상기 표시부(250)는 상기 CPU(200)에 의하여 처리된 데이터를 표시할 수 있다. 예를 들어, 상기 표시부(250)는 현재 동작 모드, 현재 온도, 사용자가 키 입력부(230)를 통해 입력한 명령 및 온도 등을 표시할 수 있다. 이러한 표시부(250)는 액정 표시 장치 또는 전계 발광 표시 장치와 같은 표시 장치에 의하여 구현될 수 있다.
상기 메모리(260)는 상기 CPU(200)에 의해 처리되는 데이터, 상기 신호 입력부(210)를 통해 수신된 검출 데이터(즉, 실내외 공기 중 산소량, 실내외 공기 중 이산화탄소량, 실내외 공기 중 미세먼지량, 실내외 온도 및 실내외 습도), 및 상기 키 입력부(230)를 통해 입력되는 명령 및 사용자 요구 온도 등을 저장할 수 있다. 또한, 상기 CPU(200)에 의해 수행될 공조 조화 방법 및 공기 질 예측 제어 방법에 대한 프로그램들을 저장할 수 있다. 게다가, 상기 메모리(260)는 쾌적 온열감 지표, 쾌적 환경 유효 물질 지표 및 유해 물질 지표를 저장할 수 있다. 나아가, 메모리(260)는 상기 실내 공간(100) 내의 유해 물질이 심각한 수준에 도달함을 경고하기 위한 음성 경고 메세지를 저장할 수 있다.
상기 CPU(200)는, 실내 공간(100)의 공기 조화를 위하여, 상기 신호 출력부(220)를 경유하여 상기 송풍 팬(42), 상기 환풍 팬(52), 상기 보일러(12), 상기 열 공급 밸브(14), 상기 냉동기(22), 상기 냉매 공급 밸브(24), 상기 귀환 댐퍼(54)의 개도율, 상기 배기 댐퍼(62)의 개도율을 제어할 수 있다. 또한, CPU(200)는, 상기 실내 공간(100) 내의 공기 질을 예측 제어를 위하여, 상기 신호 입력부(210)를 통해 입력되는, 상기 제1 산소, 이산화탄소, 미세먼지, 온도 및 습도 검출 유닛들(1A,2A,3A,4A,5A)에 의해 검출된 실내 공간(100) 내의 산소량, 이산화탄소량, 미세먼지량, 온도 및 습도, 그리고 상기 제2 산소, 이산화탄소, 미세먼지, 온도 및 습도 검출 유닛들(1B,2B,3B,4B,5B)에 의해 검출된 실외의 산소량, 이산화탄소량, 미세먼지량, 온도 및 습도에 근거하여 상기 귀환 댐퍼(54), 상기 배기 댐퍼(62) 및 상기 흡기 댐퍼(72)의 개도율 또는 상기 가습기(80), 상기 산소 발생기(82), 상기 먼지 필터(84) 및 상기 이산화탄소 제거기(86)의 동작을 제어할 수 있다. 상기 CPU(200)에 의하여 수행되는 공기 질 예측 제어 과정은 도 3의 흐름도를 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공조 시스템의 공기 질 예측 제어 과정을 설명하는 흐름도이다. 도 3의 공기 질 예측 제어 과정은 도 1에 도시된 제어 모듈(90)에 포함된 도 2의 CPU(200)에 의하여 수행된다. 그러나, 설명의 편의를 도모하기 위하여, 도 3의 공기 질 예측 제어 과정은 도 1의 제어 모듈(90)에 의하여 수행되는 것으로 설명될 것이다. 다시 말하여, 도 3의 공기 질 예측 제어 과정은 도 1에 도시된 공조 시스템과 결부되어 설명될 것이다.
도 3을 참조하면, 상기 제어 모듈(90)은 목표 이산화탄소량, 목표 미세먼지량 및 목표 온도를 설정하고 누적 개도율(X1) 및 요소의 수(X2)를 "0"으로 값으로 초기화 한다(제 S1 단계). 상기 목표 온도로는 쾌적 환경의 유효 온도 또는 사용자가 입력한 사용자 요청 온도가 될 수 있다. 사용자 요청 온도는 상기 쾌적 환경의 유효 온도에 우선하여 상기 목표 온도에 적용될 수 있다. 상기 쾌적 환경의 유효 온도는 도 4에 도시된 온도에 따른 기류 속도(m/s) 특성으로부터 결정될 수 있다. 도 4에 있어서, "401"은 쾌적 환경의 새로운 유효 온도의 범위를 나타내고, "402"는 쾌적 환경의 유효 온도의 범위를 나타낸다. 상기 쾌적 환경의 유효 온도의 범위(402)에 근거하여, 쾌적 환경의 유효 온도(ET)는 표 2와 같이 결정될 수 있다.
겨울 여름 봄, 가을
17.2℃ > 실외 온도 23.9℃ < 실외 온도 17.2℃ < 실외 온도 <23.9℃
표 2에서와 같이, 쾌적 환경의 실내 유효 온도(ET)는 계절(겨울 및 여름 중 어느 계절인가)에 따라 17.2℃ 또는 23.9℃가 될 수 있다. 다시 말하여, 상기 사용자 요청 온도가 없는 경우, 상기 목표 온도는 17.2℃ 및 23.9℃ 중 어느 하나가 될 수 있다. 예를 들면, 여름에는 "23.9℃"의 쾌적 환경 유효 온도(ET)가 목표 온도로 사용되는 반면, 겨울에는 "17.2℃"의 쾌적 환경 유효 온도(ET)가 목표 온도로 사용될 수 있다.
도 5는 실내 온열 감(PMV)에 따른 괘적성 지표(PPD)의 특성을 설명한다. 도 5에 있어서, "501"은 표 1에서와 동일하게 7단계로 구분된 예상 온열 감의 열적 상태를 나타내고, "502"는 ISO-7730에 의해 규정된 쾌적 환경 범위를 나타낸다. 상기 계절별 쾌적 환경 유효 온도(ET)는 실내 환경이 상기 쾌적 환경 범위에서 유지되게 할 수 한다.
상기 목표 이산화탄소량 및 상기 목표 미세먼지량으로서, 400ppm이하 및 350㎍/㎥이하의 환경기준치들이 사용될 수 있다. 또한, 상기 제 S1 단계에서 개시되지 않았지만, 목표 산소량 및 목표 습도가 설정될 수도 있다. 이 경우, 목표 산소량 및 목표 습도로서, 20.9±1% 이상 및 50%의 환경기준치들이 사용될 수 있다. 다시 말하여, 이들 미세먼지, 이산화탄소, 산소 및 습도의 목표 값은 표 3과 같이 정리될 수 있다.
미세먼지 이산화탄소(CO2) 산소(O2) 습도(H2O)
350㎍/㎥ 400ppm이하 20.9±1% 이상 50±2%
이어서, 상기 제어 모듈(90)은, 일정한 시간 간격을 두고, 상기 제1 산소 검출 유닛(1A), 상기 제1 이산화탄소 검출 유닛(2A) 및 상기 제1 미세먼지 검출 유닛(3A)에 의해 검출된 실내 산소량, 실내 이산화탄소량 및 실내 미세먼지량을 반복 스캔한다(제 S2 단계). 또한, 상기 제어 모듈(90)은, 일정한 시간 간격을 두고, 상기 제1 온도 검출 유닛(4A) 및 상기 제1 습도 검출 유닛(5A)에 의해 검출된 실내 온도 및 실내 습도를 반복 스캔한다(제 S3 단계).
이와 병행하여, 상기 제어 모듈(90)은, 일정한 시간 간격을 두고, 상기 제2 산소 검출 유닛(1B), 상기 제2 이산화탄소 검출 유닛(2B) 및 상기 제2 미세먼지 검출 유닛(3B)에 의해 검출된 실외 산소량, 실외 이산화탄소량 및 실외 미세먼지량을 반복 스캔한다(제 S4 단계). 또한, 상기 제어 모듈(90)은, 일정한 시간 간격을 두고, 상기 제2 온도 검출 유닛(4B) 및 상기 제2 습도 검출 유닛(5B)에 의해 검출된 실외 온도 및 실외 습도를 반복 스캔한다(제 S5 단계).
상기 제어 모듈(90)은 반복 스캔된 실내 산소 검출량들 간, 실내 이산화탄소 검출량들 간 및 실내 미세먼지 검출량들 간의 차이가 있는가를 검사하여 환경 물질의 변화 유무를 판단한다(제 S6 단계). 환경 물질의 변화가 있으면, 상기 제어 모듈(90)은 환경 물질의 변화 추이(즉, 실내 산소량의 변화율, 실내 이산화탄소량의 변화율 및/또는 실내 미세먼지 변화율)을 분석하여 그 분석된 환경 물질의 변화 추이에 따른 보정률(α)을 산출한다(제 S7 단계).
실제로, 상기 실내 공간(100) 내의 공기 중 이산화탄소량은, 도 6에 도시된 바와 같이, 내실자의 수에 따라 큰 변화율로 증가한다. 도 6에 있어서, "601"은 상기 실내 공간(100) 내의 인원 수에 따른 이산화탄소(CO2)의 증가를 정량적으로 나타낸다. 예를 들어, 100,000㎥의 실내 공간에서의 최초의 이산화탄소(CO2) 검출량이 "0"라고 가정할 수 있다. 이 경우, 상기 실내 공간(100) 내의 인원이 9인이면, 상기 실내 공간(100) 내의 이산화탄소(CO2) 량은 "602"와 같은 큰 기울기로 증가하여 30분 후에는 대략 49,950ppm 정도가 된다. 이와는 달리, 상기 실내 공간(100) 내의 인원이 1인이면, 상기 실내 공간(100) 내의 이산화탄소(CO2) 량은 "603"와 같이 서서히 증가하여 30분 후에는 대략 5,550ppm 정도가 된다.
한편, 상기 실내 공간(100) 내의 공기 중 산소량도, 도 7에 도시된 바와 같이, 내실자의 수에 따라 큰 변화율로 감소한다. 도 7에 있어서, "701"은 상기 실내 공간(100) 내의 인원 수에 따른 산소(O2)의 감소를 정량적으로 나타낸다. 예를 들어, 100,000㎥의 실내 공간에서의 최초의 공기중 산소(CO2) 검출량이 "20,900㎖"라고 가정할 수 있다. 이 경우, 상기 실내 공간(100) 내의 인원이 1인이면, 상기 실내 공간(100) 내의 산소(O2) 량은 "702"와 서서히 감소하여 30분 후에는 대략 "2,900㎖" 정도가 된다. 이와는 달리, 상기 실내 공간(100) 내의 인원이 2인이면, 상기 실내 공간(100) 내의 산소(O2) 량은 "603"와 같이 비교적 빠르게 감소하여 17분 30초 후에는 고갈될 수 있다.
이와 같이, 상기 실내 공간(100) 내에서의 이산화탄소와 같은 유해 물질의 증가와 산소와 같은 유효 물질의 감소는 일정한 속도로 감소한다. 그런 만큼, 상기 실내 공간(100) 내에서의 환경 물질의 변화 추이(즉, 변화율)에 근거하여 보정률(α)을 예측 및 적용할 수 있다. 따라서, 실내 공기 질은 향상될 수 있다.
따라서 상기 보정률(α)은 " ((유해물질증가에 의한 외부공기 평균유입량)- (유해물질 증가 전에 계산된 외부공기 평균유입량)/(유해물질증가에 의한 외부공기 평균유입량)) * 100 "로 연산된 값을 적용한다. (이를 제1의 보정률(α) 라 한다)
상기 환경 물질들의 변화율을 평균함에 의하여 얻어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 보정률(α)은 대략 10% 범위의 값으로 결정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기에서 유해물질증가에 의한 외부공기 평균유입량(NAiA) 와 유해물질 증가 전에 계산된 외부공기 평균유입량(NAiB)는
다음 식과 같이 계산된다.
Figure 112013024095817-pat00005
여기서 COㅂi : 실내측정 이산화탄소량, COㅂo : 실외측정 이산화탄소량, Di : 실내측정 미세먼지량, Do : 실외측정 미세먼지량, HCHOi : 실내측정 포름알데히드, HCHOo : 실외측정 포름알데히드, COi : 실내측정 일산화탄소량, COo : 실외측정 일산화탄소량이며, 4(n)은 이산화 탄소, 미세먼지, 포름알데히드, 일산화 탄소 등 4개의 측정요소를 기준한것이고 n은 정수 이며 상시 식에서 4(n)은 4를 의미한다.
외부공기에 포함된 공기의 성분을 센싱 하는 공기의 성분의 종류가 이산화탄소 와 미세먼지 이라면 4(n)은 2가 되며, 탄소, 미세먼지, 포름알데히드 이라면 3이 된다.
즉 상기 보정률(α)은을 결정함에 있어서 "유해물질증가에 의한 외부공기 평균유입량" 및 "유해물질 증가 전에 계산된 외부공기 평균유입량"을 산정할시 공기를 센싱하는 센서가 이산화 탄소 및 미세 먼지만을 센싱 한 경우는
Figure 112013024095817-pat00006
로 계산하고
NAiB=NAiA/2로 한다.
또한 상기 보정률(α)를 산정함에 있어서 "유효물질 감소에 의한 외부공기 유입량(AAiA)"과 "유효물질 감소 전에 계산된 외부공기 평균유입량(AAiB)"을 기준한 경우로서 산소와 온도를 센싱한 경우는
((유해물질감소에 의한 외부공기 평균유입량)- (유해물질 감소 전에 계산된 외부공기 평균유입량)/(유해물질감소에 의한 외부공기 평균유입량)) * 100 "으로 계산한다((이를 제2의 보정률(α) 라한다)
상기 제2의 보정률(α) 를 계산하는 경우
Figure 112013024095817-pat00007
이고
AAiB=AAiA/2 이다. 여기서
Oㅂo : 실외측정 산소량, Oㅂi : 실내측정 산소량, HㅂOo : 실외측정 습도량, HㅂOi : 실내측정 습도량 이다.
본 발명에서는 센서를 이산화 탄소, 미세먼지 센서를 기본으로 하여 시스템을 구성하는 것으로 설명하고 있으나 본 발명의 시스템을 구성함에 있어 포름알데히드, 일산화 탄소센서를 추가하여 시스템을 구성 할 수 있다. 또한 유해물질 증가 에 의한 외부공기 평균유입량(NAiA) 또는 유해물질감소에 의한 외부공기 평균유입량(AAiA)은 본 발명의 시스템 운영자가 구간을 정하여 정하여진 구간의 시간동안 유입된 공기량이다. 이때 정하여진 구간의 시간은 유해물질증가에 의한 외부공기 평균유입량을 기준하여 설정되는 시간과 같이 설정 될 수 있다.
또한 제1의 보정률(α) 및 제2의 보정률(α)를 동시에 적용할 경우 제1의 보정률(α) 및 제2의 보정률(α)을 평균하여 적용한 평균한 보정률(α)를 적용한다.
제 S6 단계에서 환경 물질의 변화가 없거나 또는 상기 제 S7 단계 수행 후, 상기 제어 모듈(90)은 반복 스캔된 상기 실내 온도들 간 및/또는 상기 실내 습도들 간에 변화가 있는가를 검사하여 쾌적 환경의 변화 유무를 판단한다(제 S8 단계). 상기 쾌적 환경의 변화가 있으면, 상기 제어 모듈(90)은 반복 스캔된 실내 온도들 및 실내 습도들에 근거하여 쾌적 환경 유효 온도의 변화 추이를 분석한다 (제 S9 단계).
제 S8 단계에서 쾌적 환경의 변화가 없거나 또는 제 S9 단계의 수행 후, 상기 제어 모듈(90)은 실내외 산소량들 간, 실내외 이산화탄소량들 간, 그리고 실내외 미세먼지량들 간의 다소를 비교하여 실내 환경 질이 실외 환경 질보다 높은지의 여부를 판단한다(제 S10 단계). 실내 산소량이 실외 산소량보다 많거나, 실내 이산화탄소량이 실외 이산화탄소량보다 적거나, 또는 실내 미세먼지량이 실외 미세먼지량보다 적으면, 실내 환경 질이 실외 환경 질보다 높은 것으로 판단될 수 있다. 실내 환경 질이 실외 환경 질보다 높은 것으로 판단되면, 상기 제어 모듈(90)은 상기 분석된 환경 물질 변화 추이 및 상기 분석된 쾌적 환경 변화 추이에 근거하여 상기 가습기(80), 상기 산소 발생기(82), 상기 미세먼지 필터(84) 및 상기 이산화탄소 제어기(86) 각각의 구동 시간 및 구동량(즉, 구동 레벨)을 산출한다 (제 S11 단계). 또한, 제어 모듈(90)은 상기 구동 시간 및 구동량(즉, 구동 레벨)에 해당하는 구동 신호들을 상기 가습기(80), 상기 산소 발생기(82), 상기 미세먼지 필터(84) 및 상기 이산화탄소 제어기(86)에 공급하여 상기 실내 공간(100) 내의 공기 질이 높아지게 한다. 이 경우, 상기 가습기(80) 및 상기 산소 발생기(82)는 상기 제어 모듈(90)로부터의 구동신호들에 응답하여 습기 및 산소를 각각 발생하여 상기 실내 공간(100) 내의 습도 및 산소량이 높아지게 한다. 또한, 상기 미세먼지 필터(84) 및 상기 이산화탄소 제거기(86)는 상기 제어 모듈(90)로부터의 구동신호들에 응답하여 상기 실내 공간(100) 내의 미세먼지 및 이산화탄소를 제거할 수 있다.
한편, 제 S10 단계에서 실내 환경 질이 실외 환경 질보다 낮은 것으로 판단되면, 상기 제어 모듈(90)은 상기 목표 이산화탄소량보다 상기 검출된 실내 이산화탄소량이 많은가를 검사한다 (제 S13 단계). 목표 이산화탄소량보다 상기 검출된 실내 이산화탄소량이 많은 것으로 판단되면, 상기 제어 모듈(90)은 상기 검출된 실내 이산화탄소량과 상기 검출된 실외 이산화탄소량에 근거하여 이산화탄소에 대한 개도율(Y1)을 산출한다 (제 S14 단계). 상기 이산화탄소에 대한 개도율(Y1)은 수학식 4를 통해 얻어질 수 있다.
[수학식 4]
Y1 = ((실내 CO2 량 - 실외 CO2 량)/실외 CO2 량)*100
수학식 4에 따르면, 상기 이산화탄소에 대한 개도율(Y1)은 실내외 이산화탄소량들간의 차이가 클수록 증가한다. 이어서, 상기 제어 모듈(90)은 누적 개도율(X1)을 상기 이산화탄소에 대한 개도율(Y1) 만큼 증가시킴과 아울러 상기 요소 수(X2)도 "1"만큼 증가시킨다 (제 S15 단계).
제 S13 단계에서 목표 이산화탄소량보다 상기 검출된 이산화탄소량이 적은 것으로 판단되면, 상기 제어 모듈(90)은 상기 목표 미세먼지량보다 상기 검출된 실내 미세먼지량이 많은가를 검사한다 (제 S16 단계). 목표 미세먼지량보다 상기 검출된 실내 미세먼지량이 많은 것으로 판단되면, 상기 제어 모듈(90)은 상기 검출된 실내 미세먼지량과 상기 검출된 실외 미세먼지량에 근거하여 미세먼지에 대한 개도율(Y2)을 산출한다 (제 S17 단계). 상기 미세먼지에 대한 개도율(Y2)은 수학식 5를 통해 얻어질 수 있다.
[수학식 5]
Y2 = ((실내 미세먼지 량 - 실외 미세먼지 량)/실외 미세먼지 량)*100
수학식 5에 따르면, 상기 미세먼지에 대한 개도율(Y2)은 실내외 미세먼지량들 간의 차이가 클수록 증가한다. 이어서, 상기 제어 모듈(90)은 누적 개도율(X1)을 상기 미세먼지에 대한 개도율(Y1) 만큼 증가시킴과 아울러 상기 요소 수(X2)도 "1"만큼 증가시킨다 (제 S18 단계).
제 S16 단계에서 목표 미세먼지량보다 상기 검출된 실내 미세먼지량이 적은 것으로 판단되면, 상기 제어 모듈(90)은 상기 요소 수가 "0"이상인가 검사한다 (제 S19 단계). 만약, 상기 요소 수가 "0"이면, 상기 제어 모듈(90)은 상기 제 S1 단계로 되돌아간다. 이와는 달리, 상기 요소 수가 "0"보다 크면, 상기 제어 모듈(90)은 상기 검출된 실내외 온도 차이의 곱(X3)을 수학식 6과 같이 산출한다 (제 S20 단계).
[수학식 6]
X3 = (실내 온도 - 실외 온도)*2
제 S20 단계의 수행 후, 상기 제어 모듈(90)은 상기 목표 온도보다 상기 검출된 실외 온도가 낮은가를 검사한다 (제 S21 단계). 상기 목표 온도보다 상기 검출된 실외 온도가 높으면, 상기 제어 모듈(90)은 "100"에서 상기 실내외 온도 차의 곱(X3) 만큼 감산하여 온도에 대한 개도율(Y3)을 산출할 수 있다 (제 S22 단계). 이와는 달리, 상기 목표 온도보다 상기 검출된 실외 온도가 낮으면, 상기 제어 모듈(90)은 "100"에 상기 실내외 온도 차의 곱(X3)을 가산하여 온도에 대한 개도율(Y3)을 산출한다 (제 S23 단계). 이들 제 S20 내지 S23 단계는 실내외 온도 차이가 클수록 외부 공기의 유입이 적게 진행되게 하는 반면, 실내외 온도 차이가 작을수록 외부 공기의 유입이 많이 진행되게 한다. 이와 더불어, 제 S20 내지 제 S23 단계는 목표 온도(즉, 실내 온도)에 비해 실외 온도가 높으면 여름으로 간주하여 개도율이 연산되게 하는 반면, 목표 온도(즉, 실내 온도)에 비해 실외 온도가 낮으면 겨울로 간주하여 개도율이 연산되게 한다. 이는 외부 공기의 유입이 표 2에서의 쾌적 환경 유효 온도(ET)의 중심 값을 기준으로 네거티브 방향으로 50% 그리고 포지티브 방향으로 50% 씩 진행되게 하여 도합 100%의 외부 공기 유입이 수행되게 한다.
제 S22 또는 제 S23 단계의 수행 후, 상기 제어 모듈(90)은 누적 개도율(X1)에 상기 온도에 대한 개도율(Y3) 만큼 증가시킴과 아울러 상기 요소 수(X2)를 "1"만큼 증가시킨다 (제 S24 단계). 또한, 상기 제어 모듈(90)은 상기 누적 개도율(X1)을 상기 요소 수(X2)로 나눗셈 연산하고 그 나눗셈 연산된 값을 상기 보정률(α) 만큼 증가시킴으로써, 상기 흡기 댐퍼(72)의 개도율(Y)을 산출할 수 있다 (제 S25 단계) 상기 흡기 댐퍼(72)의 개도율(Y)는 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Y = (X1/X2)*(1+α)
= (1+α)*[{((실내 CO2 량 - 실외 CO2 량)/실외 CO2 량)*100} + {((실내 미세먼지 량 - 실외 미세먼지 량)/실외 미세먼지 량)*100} + {100 ± (실내 온도 - 실외 온도)*2}] / 3
이상에서는 개도율을 결정하는 요인으로 CO2 량, 미세먼지 량, 온도인 3개의 요소를 기준하였으나 개도율을 결정하는 요인에 습도, 포름알데히드. 일산화 탄소 등이 공기질을 결정하는 다수의 요인이 포함 될 수 있고 이들의 다수의 요인을 센싱하는 센서가 포함된 시스템을 구축하는 경우 개도율 Y를 결정하는 수식은 다음과 같이 일반화 될 수 있다.
상기 각각의 공기의 질을 나타내는 요인들의 실내 실외에서 측정된 값들은 각각 제 1요소 , 제2요소, 제3요소,.......제N-1 요소, 제N요소는 온도라 하면
Y = (1+α)*[{((실내 제1요소 - 실외 제1요소)/실외 제1요소)*100} + {((실내 제2요소- 실외 제2요소)/실외 제2요소)*100} + .. +..,+{((실내 제N-12요소- 실외 제N-1요소)/실외 제N-1요소)*100}+ {100 ± (실내 온도 - 실외 온도)*2}] / N 가 된다.
마지막으로, 상기 제어 모듈(90)은 상기 산출된 흡기 댐퍼의 개도율에 따른 개도율 제어 신호(MV)를 수학식 8을 이용한 비례-적분-미분 제어 방법으로 생성하여 그 생성된 개도율 제어 신호을 상기 흡기 댐퍼(72)에 공급한다 (제 S26 단계). 그러면, 흡기 댐퍼(72)는 상기 제어 모듈(90)로부터의 개도율 제어 신호에 응답하여 개도율을 조절하여 외부 공기의 유입량을 조절한다.
[수학식 8]
MVn = MVn-1 + △MV
△MV = Kp(en-en-1) + Ki*en + Kd((en-en-1)(en-1-en-2)
수학식 8에 있어서, "MVn"은 금회 조작량이고, "MVn-1"은 전회 조작량이고, "△MV"는 금회 조작량의 미분값이고, 그리고 "en", "en-1" 및 "en-2"는 금회, 전회 및 전전회의 조작량들이다. 상기 비례-적분-미분 제어 방법은 통상의 지식을 가지 자들에게 잘 알려진 공지의 기술이다. 따라서, 이 비례-적분-미분 제어 방법에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
이렇게 실외 공기의 질에 따라 미세먼지 필터, 이산화탄소 제거기, 산소 발생기 및 가습기가 구동되게 하거나 또는 외부 공기가 유입되게 하여 환경 예측 만족도(PPIS) 및 쾌적한 환경을 유지할 수 있다. 그런 만큼, 실내 공기의 질을 향상시킬 수 있다.
또한, 실내외의 유해 물질 및 유효 물질의 차이에 근거한 외부 공기의 유입량이 산출되게 하고, 실내의 환경 물질의 변화 추이에 따른 보정률 만큼 상기 외부 공기 유입량이 증가하게 한다. 그런 만큼, 본 발명의 실시 예에 따른 공조 시스템은 실내 공간의 공기 질을 예측 제어할 수 있다.
게다가, 실내외 온도 차가 클 경우 외부 공기의 유입량이 적어지기 때문에 실내 온도의 급속한 하강 및 상승이 억제될 수 있다. 실내외 온도 차가 작은 경우에는 외부 공기의 유입량이 많아지기 때문에 외부 공기의 신속한 유입이 가능하다. 그런 만큼, 본 발명의 실시 예에 따른 공조 시스템은 실내의 공기 조화를 효율적으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라 불필요한 전력 소모를 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 공조 시스템을 실시하기 위한 실시 예들에 불과하다. 그런 만큼, 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에 기재된 바와 같이 본 발명의 요지 및 기술적 정신를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 포함하는 것으로 보호되어야 할 것이다.
1A,1B ; 제1 및 제2 산소 검출 유닛
2A,2B ; 제1 및 제2 이산화탄소 검출 유닛
3A,3B ; 제1 및 제2 미세먼지 검출 유닛
4A,4B ; 제1 및 제2 온도 검출 유닛
5A,5B ; 제1 및 제2 습도 검출 유닛
10 ; 가열 코일 12 ; 보일러
14 ; 열 공급 밸브 20 ; 냉각 코일
22 ; 냉동기 24 ; 냉매 공급 밸브
30 ; 공조 닥트 32 ; 배플 플레이트
34 ; 공기 필터 36 ; 엘리미네이터
40 ; 공급 닥트 42 ; 송풍 팬
50 ; 귀환 닥트 52 ; 환풍 팬
54 ; 귀환 댐퍼 60 ; 배기 닥트
62 ; 배기 댐퍼 70 ; 흡기 닥트
72 ; 흡기 댐퍼 80 ; 가습기
82 ; 산소 발생기 84 ; 먼지 필터
86 ; 이산화탄소 제거기 90 ; 제어 모듈

Claims (6)

  1. 실내 및 실외의 공기에 포함된 구성성분의 량을 검출하는 N-1 개의 검출 유닛 및 실내 및 실외의 공기의 온도를 검출하는 온도 검출유닛을 포함하는 N개의 검출 유닛;
    실외 공기의 유입량을 조절하는 흡기 댐퍼; 및
    상기 N-1개의 검출유닛에 의하여 검출된 공기의 구성성분 량과 온도 검출 유닛에 의하여 온도를 검출하며, 상기 N-1개의 검출유닛에 의하여 검출된 공기의 구성성분 량에 의하여 그들 각각의 변화 추이를 분석하여 보정률을 산출하고,
    상기 검출된 온도와 상기 검출된 공기의 구성 성분량과 보정률 이용하여 수학식 1과 같이 개도율을 산출하고, 산출된 개도율에 따라 상기 흡기 댐퍼를 제어하는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템.
    [수학식 1]
    개도율 = (1+α)*[{((실내 제1요소 - 실외 제1요소)/실외 제1요소)*100} + {((실내 제2요소- 실외 제2요소)/실외 제2요소)*100} + .. ..,+{((실내 제N-1요소- 실외 제N-1요소)/실외 제N-1요소)*100}+ {100 ± (실내 온도 - 실외 온도)*2}] / N
    수학식 1에 있어서, "α"는 상기 보정률 이며 N은 정수로서 검출유닛의 개수이고, 제1요소 내지는 제N-1 요소는 공기의 구성성분을 검출하는 검출유닛에서 측정된 값이고, 온도는 온도 검출유닛에 의하여 측정된 온도 값이다.
  2. 실내 공간 내의 이산화탄소량을 검출하는 제1 이산화탄소 검출 유닛;
    상기 실내 공간 내의 미세먼지량을 검출하는 제1 미세먼지 검출 유닛;
    상기 실내 공간 내의 온도를 검출하는 제1 온도 검출 유닛;
    실외의 이산화탄소량을 검출하는 제2 이산화탄소 검출 유닛;
    상기 실외의 미세먼지량을 검출하는 제2 미세먼지 검출 유닛;
    상기 실외의 온도를 검출하는 제2 온도 검출 유닛;
    실외 공기의 유입량을 조절하는 흡기 댐퍼; 및
    상기 제1 이산화탄소 검출 유닛에 의해 검출된 실내 이산화탄소량들, 상기 제1 미세먼지 검출 유닛에 의해 검출된 실내 미세먼지량들, 및 상기 제1 온도 검출 유닛에 의해 검출된 실내 온도들을 반복 스캔하고, 그들 각각의 변화 추이를 분석하여 보정률을 산출하고, 상기 제2 이산화탄소 검출 유닛에 의해 검출된 실외 이산화탄소량, 상기 제2 미세먼지 검출 유닛에 의하여 검출된 실외 미세먼지량, 상기 제2 온도 검출 유닛에 의하여 검출된 실외 온도, 상기 검출된 실내 이산화탄소량, 상기 검출된 실내 미세먼지량, 상기 검출된 실내 온도, 및 상기 보정률를 이용한 수학식 1과 같이 개도율을 산출하고, 그 산출된 개도율에 따라 상기 흡기 댐퍼를 제어하는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템.
    [수학식 2]
    개도율 = (1+α)*[{((실내 CO2 량 - 실외 CO2 량)/실외 CO2 량)*100} + {((실내 미세먼지 량 - 실외 미세먼지 량)/실외 미세먼지 량)*100} + {100 ± (실내 온도 - 실외 온도)*2}] / 3
    수학식 1에 있어서, "α"는 상기 보정률이다.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 개도율은 상기 검출된 실내 온도가 상기 검출된 실내 온도보다 낮으면 수학식 2 대신 수학식 3를 적용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템.
    [수학식 3]
    개도율 = (1+α)*[{((실내 CO2 량 - 실외 CO2 량)/실외 CO2 량)*100} + {((실내 미세먼지 량 - 실외 미세먼지 량)/실외 미세먼지 량)*100} + {100 + (실내 온도 - 실외 온도)*2}] / 3
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 개도율은 상기 검출된 실내 온도가 상기 검출된 실외 온도보다 높으면 상기 개도율은 수학식 2 대신 수학식 4 을 적용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템.
    [수학식 4]
    개도율 = (1+α)*[{((실내 CO2 량 - 실외 CO2 량)/실외 CO2 량)*100} + {((실내 미세먼지 량 - 실외 미세먼지 량)/실외 미세먼지 량)*100} + {100 - (실내 온도 - 실외 온도)*2}] / 3
  5. 제 1 항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실내 공간에 설치된 미세먼지 필터와
    상기 실내 공간에 설치된 이산화탄소 제거기 또는 산소발생기를 추가로 포함하고,
    상기 검출된 실내 이산화탄소량보다 상기 검출된 실외 이산화탄소량이 많은 경우 상기 제어 모듈은 상기 이산화탄소 제거기 또는 산소발생기를 구동하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 검출된 실내 미세 먼지 량보다 상기 검출된 실외 미세먼지량이 많은 경우 상기 제어 모듈은 상기 미세먼지 필터를 구동하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 예측 제어 기능을 가지는 환기량 제어 시스템.
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