KR101345125B1 - 사용자 만족도 및 에너지 효율을 높이기 위한 냉난방 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

사용자 만족도 및 에너지 효율을 높이기 위한 냉난방 제어 방법 및 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 냉난방 제어 방법은, 환경 상태들에 대한 정보를 수집하고, 수집된 환경 상태들을 클러스터링하여 클러스터 맵을 구축하며, 사용자의 만족도를 클러스터 맵을 구성하는 클러스터에 대응시켜 제어용 맵을 구축하고, 제어용 맵을 기초로 냉난방을 제어한다. 이에 의해, 거주자의 만족도를 유지 또는 높이기 위해 필요한 최선의 냉방에너지 제어방법을 제시함으로서 거주자의 만족도를 유지하면서 냉난방 시스템의 에너지 사용 효율을 높일 수 있게 된다.

Description

사용자 만족도 및 에너지 효율을 높이기 위한 냉난방 제어 방법 및 시스템{HVAC Control Method and System to Improve Occupant Comfort and Energy Efficiency}

본 발명은 냉난방 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자 만족도를 높임과 동시에 에너지 효율을 함께 높이기 위한 냉난방 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.

기존의 냉난방 에너지 절감시스템은 거주자의 행동패턴이나 기기 사용패턴에 의해 시간별 전력사용량을 분석하고 이에 따라 냉난방 에너지를 절감하였다. 그러나, 냉난방 시스템은 동시에 다수의 사용자가 이용하는 시스템이기 때문에, 특정 사용패턴을 추출하기가 어렵고 공간, 시간, 환경에 따라 거주자가 느끼는 편안함이 다르기 때문에 냉난방 환경에 대한 만족도를 평가할 수 있는 방법이 필요하다.

또한, 이러한 만족도 평가를 통해 보다 쾌적한 냉난방 환경을 거주자에게 제공하기 위해서는 만족도를 냉난방 제어 시스템에 반영하기 위한 방법이 필요한데, 이는 아래의 문제점들에 기인한다.

문제점 1) 거주자 만족도 평가의 부재

기존의 난방에너지 절감 시스템은 난방 공간별 용도와 사용자의 생활패턴에 따라 난방 밸브의 개폐시간을 자동으로 조절하여 사용자의 체감 온도에는 변화를 주지 않으며 빈 공간에 대한 절약난방 효율을 높인다.

그러나, 이 방법은 사용자의 생활패턴은 고려하였으나 실질적으로 제어한 난방환경에 사용자가 만족하는지를 평가하는 피드백이 없기 때문에 사용자의 만족도를 고려한 냉난방제어가 불가능하다.

문제점 2) 기기의 사용패턴 분석을 통한 전력제어

기존의 전력기기 에너지 사용 효율을 높이기 위해서 종류별 전력기기 사용 패턴을 분석하고 모델링 하여 이를 반영하여 스케쥴링을 이용한 에너지 절감장치를 개발하였으나, 냉난방은 다수의 이용자가 동시간성으로 이용하기 때문에 이용자의 거주시간을 분석하여 빈공간이 예상되는 시간에 냉난방 시스템의 운행을 중단하거나 공간에 거주자가 있다고 예상되는 시간에 냉난방 시스템을 운행하도록 하는 제어가 에너지 절감에 유일한 방법이라 할 수 있다. 그러나, 냉난방제어를 위해 온도, 습도, CO2 등 세세한 제어에 대한 방법을 제시할 수는 없다.

문제점 3) 사용자의 불편도를 고려한 제어 방법의 비효율성

사용자의 불편도를 고려하여 전력기기의 전력을 시간구간마다 능동적으로 줄이는 방법의 경우, 냉난방은 동시간성으로 다수의 거주자가 이용하는 시스템이기 때문에 동시에 다수의 사용자의 불편도를 고려하기는 어렵고 특히 거주자의 개개인의 만족도를 반영한 냉난방 제어방법은 찾기가 어렵다.

요약하면, 기존의 냉난방 에너지 제어 방법은 거주자의 만족도를 고려하지 않은채, 무조건적인 절감을 요구하거나 거주자가 감내할 수 있는 냉난방환경 구역을 고려하여 이를 기준으로 냉난방 운행을 통해 에너지 효율을 높였다.

그러나, 무조건적인 냉난방 구역설정은 에너지 절감은 달성할 수 있으나 거주자의 불편을 초래하고 이를 반영하지 않은 에너지 절감 정책은 거주자의 반감을 초래할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 공간 및 시간별 거주자의 만족도를 평가하고 이를 냉난방 제어 시스템에 반영함으로서, 냉난방 환경에 대한 거주자의 만족도를 유지하면서 동시에 냉난방 에너지의 효율을 높일 수 있는 냉난방 제어 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 냉난방 제어 방법은, 환경 상태들에 대한 정보를 수집하는 단계; 수집된 환경 상태들을 클러스터링하여 클러스터 맵을 구축하는 단계; 사용자의 만족도를 클러스터 맵을 구성하는 클러스터에 대응시켜 제어용 맵을 구축하는 단계; 및 제어용 맵을 기초로, 냉난방을 제어하는 단계;를 포함한다.

그리고, 상기 제어용 맵 구축단계는, 사용자 만족도를 확인받는 단계; 확인 시점부터 소급한 특정 시간 동안의 환경 상태가 해당하는 클러스터를 파악하는 단계; 파악된 클러스터의 만족도 지수를 확인된 사용자 만족도에 따라 조정하는 단계; 및 만족도 지수를 기초로 클러스터를 만족-클러스터 또는 불만족-클러스터로 지정하여 제어용 맵을 작성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어단계는, 현재 시점으로부터 소급한 특정 시간 동안의 환경 상태를 파악하는 단계; 파악된 환경 상태가 해당하는 클러스터를 파악하는 단계; 및 파악된 클러스터의 종류에 따라 냉난방 상태를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.

그리고, 냉난방 상태 제어단계는, 파악된 클러스터가 만족-클러스터인 경우 현재 냉난방을 유지할 수 있다.

또한, 냉난방 상태 제어단계는, 파악된 클러스터가 불만족-클러스터인 경우 만족-클러스터의 환경상태가 되도록 냉난방을 제어할 수 있다.

그리고, 만족-클러스터는, 제어용 맵 상에서 불만족-클러스터에 가장 인접한 만족-클러스터일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 냉난방 제어 시스템은, 환경 상태에 대한 정보를 수집하는 센서 네트워크; 수집된 환경 상태를 클러스터링하여 클러스터 맵을 구축하고, 사용자의 만족도를 클러스터 맵을 구성하는 클러스터에 대응시켜 제어용 맵을 구축하는 DB 시스템; 및 제어용 맵을 기초로, 냉난방을 제어하는 냉난방 시스템;을 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 건물 내 냉난방 환경 측정 및 분석을 통해 공간 및 시간에 따라 거주자의 만족도를 평가하고, 현재 냉난방 환경에 대한 거주자의 만족도를 냉난방 제어 시스템에 반영하여, 거주자의 만족도를 고려한 냉난방 제어가 가능해져, 거주자의 만족도를 유지 또는 높이기 위해 필요한 최선의 냉방에너지 제어방법을 제시함으로서 거주자의 만족도를 유지하면서 냉난방 시스템의 에너지 사용 효율을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명이 적용가능한 냉난방 제어 시스템을 도시한 도면,
도 2는 건물 내에서 냉난방 제어가 수행되는 전반적인 과정의 설명에 제공되는 도면,
도 3은 훈련 단계에 의해 클러스터 맵을 구축하는 과정의 설명에 제공되는 도면,
도 4는 피드백 단계에 의해 제어용 맵을 구축하는 과정의 설명에 제공되는 도면, 그리고,
도 5는 제어용 맵을 이용하여 건물 내 냉난방을 구역별로 제어하는 과정의 설명에 제공되는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

1. 냉난방 제어 시스템

도 1은 본 발명이 적용가능한 냉난방 제어 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명이 적용가능한 냉난방 제어 시스템은 사용자의 직접적인 표현에 의한 만족도를 기반으로 냉난방이 제어되는 시스템이다.

도 1에 도시된 냉난방 제어 시스템은 특정 건물 내부의 냉난방을 제어하기 위한 시스템으로, 센서 네트워크(100), DB 시스템(200) 및 냉난방 시스템(300)으로 구축된다.

센서 네트워크(100)는 건물 내 온도, 습도, CO2, 조도 등의 환경 상태 정보를 수집하기 위한 센서들로 구축되는데, 건물에서 분할되는 구역들 마다 센서들이 배치된다.

DB 시스템(200)은 센서 네트워크(100)에 의해 수집된 환경 정보를 DB화하는 한편, DB화 된 환경 정보들을 클러스팅하고 각 클러스터들에 대해 사용자의 만족도들을 조사하여 함께 DB화 한다.

냉난방 시스템(300)은 DB 시스템(200)에 DB화 정보를 이용하여, 사용자의 만족도를 유지 또는 증가시키는 방향으로 건물 내의 냉난방 기기들을 제어한다.

2. 냉난방 제어

건물 내에서 냉난방 제어가 수행되는 전반적인 과정이 도 2에 도시되어 있다. 건물 내의 냉난방 제어를 위해, 먼저 대상 건물을 다수의 구역들로 분류하고 분류된 구역들을 정의한다. 구역 분류는 벽, 천장 및 기타 시설물 등에 의한 물리적 구분을 기초로 수행함이 적정하다.

첫 번째 단계는, 환경 상태들을 수집하여 클러스터링 함으로서 클러스터 맵을 생성하는 훈련 단계이다. 환경 상태 수집은 건물 내의 모든 구역들에 걸쳐 빠짐 없이 구축된 센서 네트워크(100)에 의해 구역별로 이루어진다.

클러스터링은 특정 기간 동안 수집한 환경 상태들을 이용하여 비감독 학습(Unsupervised Learning)을 통해 건물 내 구역별로 환경 상태들을 정량적으로 분류할 수 있는 클러스터들을 구축하는 과정에 의해 수행된다.

클러스터링은 구역별로 수행되므로, 구역마다 클러스터 맵이 각각 생성된다. 훈련 단계에 대한 상세한 설명은, 도 3을 참조하여 상세히 후술한다.

두 번째 단계는, 훈련 단계에서 생성한 클러스터 맵을 구성하는 클러스터들에 거주자의 만족도를 부여하여 제어용 맵을 생성하는 피드백 단계이다. 거주자의 만족도 조사는 스마트폰이나 태블릿 PC 등과 같은 모바일 기기를 통해 입력받아 수행하는 것이 바람직한데, 입력 방법으로 SMS와 이메일은 물론 SNS 등을 통해 확인받는 것도 가능하다.

구체적으로, 피드백 단계에서는, 거주자의 만족도 조사를 통해 거주자의 만족도를 확인받되, 확인 시점으로부터 소급한 1시간 동안의 환경 상태가 어느 클러스터에 해당하는지 판단하여, 해당 클러스터의 만족도 지수를 증가 또는 감소시킨다.

위와 같은 절차에 의해 결정된 만족도 지수가 임계치를 초과한 클러스터는 만족-클러스터(CC : Comfortable Cluster)로, 만족도 지수가 임계치 이하인 클러스터는 불만족-클러스터(UC : Unomfortable Cluster)로 지정되는데, 이와 같이 클러스터들이 CC 또는 UC로 지정된 클러스터 맵은 제어용 맵으로 활용된다.

클러스터 맵이 구역별로 존재하므로, 제어용 맵 역시 구역마다 생성된다. 피드백 단계에 대한 상세한 설명은, 도 4를 참조하여 상세히 후술한다.

세 번째 단계는, 피드백 단계에서 생성된 제어용 맵을 이용하여 건물 내 냉난방을 구역별로 제어하는 제어 단계이다.

제어 단계에서는 먼저 현재 시점으로부터 소급한 1시간 동안의 환경 상태를 파악하고 파악된 환경 상태가 어느 클러스터에 해당하는지 파악한다. 파악된 클러스터가 CC인 경우 냉난방 상태를 유지하지만, 파악된 클러스터가 UC인 경우에는 환경상태가 그 UC에 가장 가까운 CC가 되도록 냉난방을 제어한다.

제어 단계에 대한 상세한 설명은, 도 5를 참조하여 상세히 후술한다.

3. 훈련 단계 : 클러스터 맵 구축

도 3은 훈련 단계에 의해 클러스터 맵을 구축하는 과정의 설명에 제공되는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상당한 기간 동안 환경 상태들을 수집한 후 k-Means 클러스터링을 통해 냉난방 환경 상태들을 정량적으로 분류하여 다수의 클러스터들[C1, C2, ..., CN]을 생성한다.

도 3의 맨 우측에 도시된 맵이 클러스터 맵에 해당하는데, 이는 건물 내의 특정한 하나의 구역에 대한 클러스터 맵이다. 클러스터 맵은 건물 구역마다 개별적으로 구축된다.

4. 피드백 단계 : 제어용 맵 구축

도 4는 피드백 단계에 의해 제어용 맵을 구축하는 과정의 설명에 제공되는 도면이다. 도 4의 좌측에 도시된 바와 같이, 모바일 기기의 메일이나 SNS를 통해 사용자 만족도를 입력/확인받을 수 있다.

도 4에 도시되 바에 따르면, 거주자의 만족도가 입력/확인되면 그 시점으로부터 소급한 1시간 동안의 환경 상태가 어느 클러스터에 해당하는지 판단하여, 해당 클러스터의 만족도 지수(nC)를 증가 또는 감소시킨다.

위 만족도 조사 절차가 일정한 피드백 기간 동안에 걸쳐 수행되면, 클러스터 맵을 구성하는 만족도 지수가 거주자의 만족도에 부합하도록 증감하게 된다. 이에 따라, 피드백 기간이 경과 하면, 만족도 지수가 임계치를 초과한 클러스터는 CC로 지정하고, 만족도 지수가 임계치 이하인 클러스터는 UC로 지정하여 제어용 맵이 구축되는데, 도 4의 맨 우측에 제어용 맵을 예시하였다.

5. 제어 단계

도 5는 제어용 맵을 이용하여 건물 내 냉난방을 구역별로 제어하는 과정의 설명에 제공되는 도면이다. 도 5의 좌측에서 세 번째에는 도 4에서 구축된 제어용 맵이 나타나 있음을 확인할 수 있다.

제어 단계에서는 먼저 현재 시점으로부터 소급한 1시간 동안의 환경 상태를 파악하고(도 5의 첫 번째), 파악된 환경 상태가 어느 클러스터에 해당하는지 파악하는데(도 5의 두 번째), 파악된 클러스터가 CC인 경우 냉난방 상태를 유지한다.

하지만, 파악된 클러스터가 UC인 경우에는 환경상태가 CC가 되도록 냉난방을 제어하여, 환경 상태에 대한 사용자의 만족도가 높아지도록 한다. 이때, CC는 UC에 가장 가까운 것을 선택하는 것이 바람직한데, 도 5의 맨 우측에는 이들이 예시되어 있다. 이는, 가장 빠르게 사용자 만족도를 높일 수 있기 때문이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 : 센서 네트워크
200 : DB 시스템
300 : 냉난방 시스템

Claims (7)

1. 환경 상태들에 대한 정보를 수집하는 단계;
   수집된 환경 상태들을 클러스터링하여 클러스터 맵을 구축하는 단계;
   사용자의 만족도를 클러스터 맵을 구성하는 클러스터들에 대응시켜 제어용 맵을 구축하는 단계; 및
   제어용 맵을 기초로, 냉난방을 제어하는 단계;를 포함하고,
   상기 클러스터 맵을 구성하는 상기 클러스터들은,
   상기 환경 상태들이 클러스터링된 맵인 것을 특징으로 하는 냉난방 제어 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제어용 맵 구축단계는,
   사용자 만족도를 확인받는 단계;
   확인 시점부터 소급한 특정 시간 동안의 환경 상태가 해당하는 클러스터를 파악하는 단계;
   파악된 클러스터의 만족도 지수를 확인된 사용자 만족도에 따라 조정하는 단계; 및
   만족도 지수를 기초로 클러스터를 만족-클러스터 또는 불만족-클러스터로 지정하여 제어용 맵을 작성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 제어 방법.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제어단계는,
   현재 시점으로부터 소급한 특정 시간 동안의 환경 상태를 파악하는 단계;
   파악된 환경 상태가 해당하는 클러스터를 파악하는 단계; 및
   파악된 클러스터의 종류에 따라 냉난방 상태를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 제어 방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   냉난방 상태 제어단계는,
   파악된 클러스터가 만족-클러스터인 경우 현재 냉난방을 유지하는 것을 특징으로 하는 냉난방 제어 방법.
   
5. 제 3항에 있어서,
   냉난방 상태 제어단계는,
   파악된 클러스터가 불만족-클러스터인 경우 만족-클러스터의 환경상태가 되도록 냉난방을 제어하는 것을 특징으로 하는 냉난방 제어 방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   만족-클러스터는,
   제어용 맵 상에서 불만족-클러스터에 가장 인접한 만족-클러스터인 것을 특징으로 하는 냉난방 제어 방법.
   
7. 환경 상태에 대한 정보를 수집하는 센서 네트워크;
   수집된 환경 상태들을 클러스터링하여 클러스터 맵을 구축하고, 사용자의 만족도를 클러스터 맵을 구성하는 클러스터에 대응시켜 제어용 맵을 구축하는 DB 시스템; 및
   제어용 맵을 기초로, 냉난방을 제어하는 냉난방 시스템;을 포함하고,
   상기 클러스터 맵을 구성하는 상기 클러스터들은,
   상기 환경 상태들이 클러스터링된 맵인 것을 냉난방 제어 시스템.
   

Images