KR101385584B1 - 지능형 전력망을 이용한 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템 - Google Patents

지능형 전력망을 이용한 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템 Download PDF

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노경호
윤선옥
박정민
노경흡
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로지시스템(주)
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Abstract

본 발명은 건물실내의 기압을 실외와 동일하게 유지하여, 실내와 실외간의 공기흐름을 차단하여 에너지를 절약하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템으로서, 상기 건물의 각 층에 구비되어, 상기 각 층의 실내 기압을 측정하는 실내 센서계; 상기 건물의 외부에 구비되어, 상기 건물의 외부 기압을 측정하는 옥외 기압계; 상기 건물의 지능형 전력망(smart grid)을 이용하여 데이터 통신을 수행하는 게이트웨이 장치; 상기 건물에 설치된 공기조화기를 제어하는 조화기 제어장치; 및, 상기 실내 센서계 및 상기 옥외 기압계에서 측정된 실내 기압 및 외부 기압을 상기 게이트웨이 장치를 통해 수신하여, 상기 실내 기압과 외부 기압의 차이(이하 기압 차이)에 따라 상기 조화기 제어장치를 통해 상기 공기조화기를 제어하는 중앙제어장치를 포함하고, 상기 조화기 제어장치는 상기 기압 차이에 따라 상기 공기 조화기에서 외부 공기를 건물 내부로 유입하거나, 내부 공기를 건물 외부로 배출시키는 구성을 갖는다.
상기와 같은 시스템에 의하여, 실내공기가 실외로 자연 유출되거나, 실외공기가 실내로 자연 유입되는 것을 방지하고, 조화기를 통하여 배기, 유입되도록 하여 유출 에너지를 회수함으로써, 에너지를 효율적으로 이용하고, 에너지 효율의 저하요인을 제거할 수 있다. 또한, 건물 실내 출입자에 의한 공기밀도의 상승과 기압상승을 측정하여 실외와 동일하게 기압을 유지하기 위하여 즉각적으로 대처하고, 실내기압과 실외기압을 동일하게 유지하기 위한 방법을 제시함으로써, 실내공기의 난방과 냉방 시에 발생되는 기압차로 인한 실내공기의 유출을 최소화하기 한다.

Description

지능형 전력망을 이용한 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템 { An automatic control system for cooling/heating and air-pressure in the buiding using the smart grid }
본 발명은 고기압에서 저기압으로 공기흐름의 자연적 현상을 냉난방에 이용한 것으로서, 기압차로 실내에서 실외로 유출되는 공기와 실외에서 실내로 유입되는 공기를 조절하여, 실내의 공기밀도를 실외와 동일하게 유지하기 위한 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 관한 것이다.
최근, 사무소 빌딩 및 일반 주택의 실내 공기 쾌적성에 관한 요구가 높아지고 있다. 이에 따라 실내 온도를 정해진 설정치에 유지하도록 공기 조화기의 능력을 조정하는 고성능인 제어장치가 요구되고 있고, 가장 쾌적이라고 느끼는 실온 설정치를 자동적으로 연산하는 공기 조화기의 실내 온도 설정치 연산장치가 많이 사용되고 있다.
한편, 일반 가정에서 오피스까지의 폭넓은 범위로 에너지의 사용량이 큰 사회 문제가 되어, 에너지 절약이 요청되고 있다. 이러한 사회 환경에서는 많은 에너지를 필요로 하는 공기 조화기의 에너지 절약에 대한 대책이 중요시되고 있다. 즉, 실내 공기의 쾌적성과 함께 에너지 절약도 고려한 실내 온도 제어 기술이 절실하다.
건물의 실내공기는 실내와 실외의 기압차에 의하여 실내의 기압이 높으면 실내공기는 외부로 유출되고 반대로 기압이 낮으면 외부공기는 실내로 유입된다. 이때 외부공기와 실내공기의 온도차가 있다면 실내공기가 유출되든 외부공기가 유입되든 일정온도를 유지하는 경우 에너지낭비가 발생한다.
그러나 에너지의 효율적 이용이 한계점에 다다르자 공기의 질 향상을 위한 이산화탄소, 미세먼지측정으로 외부공기를 유입함으로 오히려 에너지의 효율적 이용이 되지 못한 면이 있다.
[특허문헌 1] 일본등록특허 제2512262호(1996.07.03.공고)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외부의 기압을 측정하여 자료를 수집하거나, 기상청의 발표 기압자료를 수집하고, 건물 기압계자료를 수집 비교하여 실내기압을 외부기압과 동일하게 유지하도록 제어하도록 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 실내의 유동인원에 의한 실내공기의 밀도와 기압이 상승하거나 하강하여 외부의 공기가 실내로 유입되거나 유출되는 것을 방지하기 위하여 실내공기를 외부기압과 동일하게 유지되도록 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 실내에 더운 공기를 공급하면 온도가 상승하여 공기밀도와 기압이 증가하여 실외로 유출되고, 실내에 차가운 공기를 공급하면 온도가 하강하고 공기밀도와 기압이 낮아지는데, 이를 조화기를 통하여 배출하면서 회수하여 에너지를 재이용하도록 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다수의 층으로 구성된 건물의 냉난방 및 기압을 제어하는, 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 건물의 각 층에 구비되어, 상기 각 층의 실내 기압을 측정하는 실내 센서계; 상기 건물의 외부에 구비되어, 상기 건물의 외부 기압을 측정하는 옥외 기압계; 상기 건물의 지능형 전력망(smart grid)을 이용하여 데이터 통신을 수행하는 게이트웨이 장치; 상기 건물에 설치된 공기조화기를 제어하는 조화기 제어장치; 및, 상기 실내 센서계 및 상기 옥외 기압계에서 측정된 실내 기압 및 외부 기압을 상기 게이트웨이 장치를 통해 수신하여, 상기 실내 기압과 외부 기압의 차이(이하 기압 차이)에 따라 상기 조화기 제어장치를 통해 상기 공기조화기를 제어하는 중앙제어장치를 포함하고, 상기 조화기 제어장치는 상기 기압 차이에 따라 상기 공기 조화기에서 외부 공기를 건물 내부로 유입하거나, 내부 공기를 건물 외부로 배출시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 상기 게이트웨이 장치는 상기 지능형 전력망의 2상을 이용하여 연결되는 단상 게이트웨이 장치 및, 상기 지능형 전력망의 3상을 이용하여 연결되는 삼상 게이트웨이 장치로 구성되고, 상기 실내 센서계, 상기 옥외 기압계, 상기 조화기 제어장치는 상기 지능형 전력망을 통해 상기 단상 게이트웨이 장치와 연결되고, 상기 중앙제어장치는 상기 지능형 전력망을 통해 상기 삼상 게이트웨이 장치로 연결되고, 상기 삼상 게이트웨이 장치 및 상기 단상 게이트웨이 장치가 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 상기 중앙제어장치는 상기 실내 기압이 상기 외부 기압보다 높으면 상기 공기 조화기를 통해 상기 내부 공기를 건물 외부로 배출하고, 상기 실내 기압이 상기 외부 기압보다 낮으면 상기 외부 공기를 건물 내부로 유입시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 상기 중앙제어장치는 건물의 각 층에서의 기압 차이에 따라, 각 층별로 공기의 유입 또는 유출을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 상기 중앙제어장치는 상기 측정된 외부 기압으로부터 각 층의 외부 기압을 각 층의 고도에 따라 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 상기 중앙제어장치는 건물 내에 구비된 냉난방 장치에서 실내 온도 보다 더운 공기를 공급하면 상기 공기 조화기에서 실내의 공기를 외부로 배출시키고, 상기 냉난방 장치에서 실내 온도보다 차가운 공기를 공급하면 상기 공기 조화기에서 외부의 공기를 실내로 유입시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 상기 조화기 제어장치는 상기 공기 조화기에서 배출되는 공기의 열 또는 냉기를 회수하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 상기 조화기 제어장치는 상기 공기 조화기에서 실내의 공기를 외부로 배출시킬 때 배출되는 공기의 열을 회수하고, 외부의 공기를 실내로 유입시킬 때 유입되는 공기의 열을 회수하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 배출되거나 유입되는 공기의 양은 상기 냉난방 장치에 의해 변화되는 실내 온도의 차이에 비례하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서, 상기 조화기 제어장치는, 상기 실내 기압이 상기 외부 기압보다 높으면, 상기 공기 조화기에서 배기조절기를 열고, 배기조절기의 열린 정도에 반비례하여 혼합조절기를 적게 열어서, 외부로 배출되는 공기량을 조절하고, 상기 실내 기압이 상기 외부 기압보다 낮으면, 상기 공기 조화기에서 상기 배기조절기를 닫고 상기 혼합조절기를 최대로 열고, 외기조절기를 열어 외부에서 유입되는 공기량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 의하면, 외부에 기압계를 설치하여 자료를 수집하거나 발표의 기압자료에 의한 기압과 실내에 기압계를 설치하여 이의 기압에 의하여 실내기압을 외부기압과 동일하게 유지하도록 제어함으로 에너지의 외부유출을 방지하여 절감할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한 실내의 유동인원에 의한 실내공기 밀도와 기압이 수시로 상승하거나 하강하여 외부의 공기가 실내로 유입되거나 유출되는 것을 방지하기 위하여 조화기를 조절하여 실내기압이 외부기압과 동일하게 유지되도록 하고 배출되는 공기의 열 또는 냉기를 회수하여 에너지를 절약할 수 있다.
또한 실내의 유동인원에 의한 실내의 공기밀도와 기압상승을 계산하여 유동인원수를 유추할 수 있으며 결과에 따른 조화기, 냉난방기기의 예측운전이 가능하다.
또한 실내의 초기냉난방시 실내에 더운 공기를 공급하면 온도가 상승하여 공기밀도와 기압이 증가하여 실외로 유출되고, 실내에 차가운 공기를 공급하면 온도가 하강하고 공기밀도와 기압이 낮아지는데, 이를 조화기를 통하여 배출하면서 열을 회수하거나 냉기를 회수하여 재이용하므로 에너지를 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 지능형 전력망을 이용한 건물의 냉난방 제어를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명과 관련된 고도에 따른 기압온도의 관계도이다.
도 3은 본 발명과 관련된 유동인원에 따른 실내의 공기밀도와 기압의 관계도이다.
도 4는 본 발명과 관련된 실내의 온도상승에 따른 공기의 부피변화와 기압의 변화도 이다.
도 5는 본 발명과 관련된 기압변화에 의한 조화기구성과 제어도 이다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템을 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 지능형 전력망 게이트웨이 장치를 이용한 냉난방 장치의 제어를 위한 구성도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템은 중앙제어장치(100), 게이트웨이 장치(201,202), 냉난방 제어장치(301), 조화기 제어장치(400), 실내 센서계(303), 및, 옥외 기압계(203)로 구성된다.
중앙제어장치(100)는 기압 변화에 의한 조화기 구성과 제어를 위하여, 기상청의 날씨관련 데이터를 수집하여 분석한다.
게이트웨이 장치(201,202)는 지능형 전력망(smart grid)을 이용하여 데이터 통신을 수행한다. 이때, 전력망의 3상을 이용하는지 또는 2상만을 이용하는지에 따라 삼상 게이트웨이 장치(201) 또는 단상 게이트 장치(202)로 구분된다.
또한, 냉난방 제어장치(301)는 냉난방 장치(미도시)를 제어하는 장치로서, 게이트웨이 장치를 내재하여 지능형 전력망을 통해 데이터 통신을 수행한다. 중앙제어장치(100)는 냉난방 제어장치(301)를 제어함으로써, 실내 온도를 조절할 수 있다.
또한, 조화기 제어장치(400)는 공기조화기(400a)를 제어하는 장치로서, 단상 게이트웨이 장치를 내재하여 지능형 전력망을 통해 데이터 통신을 수행한다. 역시, 중앙제어장치(100)는 조화기 제어장치(400)를 제어함으로써, 실내 기압을 조절할 수 있다.
한편, 실내 센서계(303)는 실내의 상태를 센싱하는 센서들로서, 기압계, 온-습도계 등으로 구성된다. 본 발명에서 실내 센서계(303)는 주로 기압을 측정하는 센서의 역할을 하므로, 기압계와도 같은 의미로 사용된다. 옥외 기압계(203)는 옥외 또는 실외에 구비된 센서로서, 외부의 기압을 측정하는 센서로 구성된다.
바람직하게는, 건물이 다수의 층(302)을 이루고 있으면, 각 층별로 냉난방 제어장치(301)를 구비한다. 또한, 실내 센서계(303)도 각 층별로 다수 설치하여, 각 층 및 각 실내의 기압, 온도, 습도 등을 측정한다.
한편, 각층(302)에 구비된 실내 센서계(303)는 통신선으로 기압 데이터를 송신한다. 게이트웨이 냉난방 제어장치(301)는 기압 데이터 외에 댐퍼(304)의 가동상태, 냉난방 장치의 수신 데이터를 수집하여, 수집된 데이터를 삼상 게이트웨이 장치(201)로 송신한다.
옥외에 설치된 기압계(203)는 통신선으로 단상 게이트웨이 장치(202)로 기압데이터를 송신한다. 상기 기압 데이터는 지능형 전력망을 통하여 삼상 게이트웨이장치(201)로 송신된다.
삼상 게이트웨이 장치(201)는 통신선으로 중앙제어장치(100)로 기압 데이터를 포함한 수신 데이터를 통신선을 통하여 송신한다. 따라서 중앙제어장치(100)는 각층(302)에 구비된 실내 센서계(303) 또는 옥외에 구비된 옥외 기압계(203)로부터 측정된 기압, 온도, 습도 등 실내외 환경 데이터 및, 댐퍼의 가동상태 등 냉난방장치/공기조화장치의 상태 데이터를 수집한다.
일반적으로, 3상 교류 전원(440V)은 R, S, T, N 상으로 구분되며, 대부분의 부하장치가 R상과 N상, S상과 N상, 또는 T상과 N상으로 구성되어 단상(AC 220V)로 사용된다. 그래서 실내 센서계, 옥외 기압계, 조화기 제어장치는 단상을 이용하여 단상 게이트 장치와 연결된다. 중앙제어장치(100)는 모든 단상 게이트웨이 장치(301)와 통신해야 하므로, 모든 상, 즉, R, S, T, N 상을 모두 연결할 수 있는 삼상 게이트웨이 장치(201)에 연결된다.
기압 데이터를 수신한 중앙제어장치(100)는 각 층(302)에서 수신한 기압 데이터 또는 옥외 기압계(203)로부터 수신한 기압 데이터를 이용하여, 실내외 기압차를 구하고 이를 통해 실내 온도 또는 실내 기압을 제어한다.
다음으로, 본 발명에 따른 고도에 따른 기압-온도의 관계를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 고도에 따른 기압 또는 온도의 관계는 서로 반비례의 관계를 갖는다. 도 2(a)는 고도에 따른 기압의 변화를 그래프로 표시한 것이고, 도 2(b)는 고도에 따른 기압 및 온도의 관계에 대한 표로서, 고도에 따른 기압과 온도의 변화를 표로서 나타낸 것이다.
도 2a의 기압곡선(113)에 의하면, 고도 0m에서의 기압은 1,000 h㎩이고, 고도 32,000m에서의 기압은 0 h㎩이 된다. 또한, 고도 100~1,000m의 평균 1m 변화량에 대하여, 기압은 0.1266667h㎩, 온도는 0.006556℃ 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서 건물이 고층일 경우, 저층과 고층 간의 기압차는 커진다. 즉, 건물의 1층과 50층의 기압차는 상당히 크다는 것을 알 수 있다.
건물 층수에 따른 기압의 계산은 다음 수학식 1에 의해 계산된다.
[수학식 1]
N층의 기압 = (한 층의 높이×N(해당 층)×0.1266667h㎩)＋1층 측정기압
따라서 건물 실내의 1층 기압이 1,013.000h㎩이면 50층은 1,006.793h㎩로 낮아진다. 이에 따라 외부기압을 측정하여 고도에 따른 기압을 계산하여 건물 외부 기압을 각 층별로 구할 수 있다.
또한, 실내의 경우, 실내의 어느 한 층(예를 들어, 1층 또는 지상층)의 기압을 측정하면, 나머지 각 층의 기압을 앞서 수학식 1을 이용하여, 추정할 수 있다. 또는 실내의 각 층에 기압계를 설치하여 현재의 기압을 구할 수도 있다.
각 층에 해당되는 높이의 기압으로 각 층의 냉난방 제어를 하게 되면, 실내와 실외의 기압이 동일하므로 냉난방에 따른 에너지 유출을 최소화 할 수 있다. 이와 같은 방법으로 냉난방을 하기 위하여 중앙제어장치(100)는 지능형 전력망으로 조화기 제어장치(400)를 제어하여 실내의 기압을 조절한다. 즉, 각 층에 설치된 메인 댐퍼를 조작하여 각 층의 실내 기압을 외부 기압과 동일하게 유지할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 유동 인원에 따른 실내의 공기밀도 및 기압의 관계를 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 유동인원에 따른 실내의 공기밀도와 기압의 관계를 도시한 그래프이다.
특히, 도 3(a)는 공간의 사람 수에 따른 실내공기 밀도의 변화를 나타낸 것으로서, 평균적으로 사람의 밀도는 1.03g/㎤ 이고, 체중 75㎏기준으로 77.2500㎤ 정도이다. 즉, 체중 75㎏의 사람의 밀도는 75㎏×1.03㎤ = 77.250㎤ 이다.
일례로서, 실내가 10m×10m×3m = 300㎥ 인 공간을 가정하여 설명한다. 이 경우, 실내는 30,000㎤ 체적이다. 만약 사람 1인이 들어오면 30,000㎤ + 77.250㎤ = 30,077.250㎤이고 이를 %로 계산 30,077.250㎤/30,000㎤ = 1.002575%이다. 따라서 체적이 30,000㎤인 실내에 사람 1인 들어오면 부피가 0.002575%가 증가한다.
또한, 도 3(b)는 유동 인원(공간의 사람 수)에 대한 기압의 변화 그래프이다. 도 3(b)에 의하면, 30,000㎤의 실내에 75㎏기준인 사람이 들어와서 부피가 0.002575%가 증가하므로, 기압이 1013.25hPa이면 1013.25hPa/0.002575%=2.62444 hPa의 계산에 따라, 75㎏ 사람이 1명 증가할 때 마다 2.62444 hPa(127) 만큼 증가하게 된다.
따라서 실내의 기압을 실외와 동일하게 유지하지 않으면, 30,000㎤넓이인 실내에 10인이 있는 경우라면 (10인×2.62444hPa)+1019.2hPa=1045.4444hPa이다. 즉, 1045.444hPa-1019.2hPa=26.2444hPa이 증가한다. 결국 실내 기압이 대기압으로 빠져나가는 기압은 26.2444hPa이 된다.
한편, 공기의 비열은 상온에서 0.31㎉/㎥·℃이며 1㎤의 공기를 1℃ 높이는데 필요한 열량은 0.31㎉ 이다. 따라서 사람 1인 계산은 77.250㎤×0.31㎉=23.95㎉가 외부로 유출된다. 전기로 환산하면 1㎾h=860㎉, 23.95㎉/860㎉=31.91㎾h가 더 소모된다.
일반의 경우 500㎾h 약정기준으로 172.6원으로 계산하면 31.91㎾h×172.6원=5,507.67원이 절약된다. 월계산은 5,507.67원×30일=165,230.00원을 절약할 수 있다.
외부와 내부의 기압이 동일한 시점에서 실내의 기압의 상승조건은 온도의 변화와 실내공간의 축소(유동인구가 늘어남에 따라)등으로 기압이 상승합니다. 따라서 실내의 온도변화 없이 기압이 상승한다면 이것은 유동인구의 증가에 따른 실내공간의 축소로 기압의 상승하며 그래프 곡선으로 기압상승 추이의 설명이 가능하고 이것의 상승에 따른 외부와 연결된 공기의 유입/배출장치에 의하여 기압을 조절합니다.
앞서 설명을 요약하면, 다음과 같다.
실내의 공간은 일정하다. 즉, 사람이 들어온다고 하여 고정인 실내 공간이 늘어나는 것은 아니다. 다만, 공기가 차지하는 실내 공간이 예의 공간에서 0.002575% 만큼이 축소되어 기압이 상승한다. 사람이 들어오면 0.002575%의 부피가 커져야 사람이 들어오기 전 기압을 유지할 수 있는 것과 같다. 그만큼 실내의 공기에 의한 기압이 상승한다.
사람이 출입구를 통해 건물을 출입할 때, 출입 순간에 출입구를 통해 일부 실내의 기압이 외부로 유출될 수 있으나, 그 양은 무시할 정도로 미미할 것이다. 그러나 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 기압의 이동은 당연하므로, 시간이 지나면 실내와 실외의 기압은 외부로 기압과 동일하게 유지될 수 있다. 이것은 인위적 기압의 영향을 주지 않은 한 당연한 것이고, 이중 도어 등에 의해 건물이 밀폐되는 경우에도 마찬가지이다.
그러나 자연적 기압유지를 위해서는 에너지의 소비는 발생된다. 즉, 내부의 기압(또는 공기)가 외부로 빠져나감으로써, 내부의 열이 그만큼 외부로 배출되어 에너지 낭비가 될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 실내의 온도 상승에 의한 공기의 부피 변화 및 기압의 변화를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 실내의 온도상승에 따른 공기의 부피변화와 기압의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4에 의하면, 샤를의 법칙에 따라 실내공기가 1℃ 올라갈 때마다 0℃일 때 부피의 1/273씩 증가하여 273℃가 되면 부피는 2배가 된다.
따라서 초기 냉난방의 경우 부피가 도 4의 그래프 선처럼 부피가 증가하거나 감소하여 실내공기가 난방의 경우 부피가 커지고 기압이 상승한다. 따라서 실내의 따듯한 공기가 외부로 유출되어 실내온도를 낮춘다. 또한, 냉방의 경우 공기의 부피가 작아지고 기압이 낮아지므로, 외부의 따듯한 공기가 실내로 유입되어 실내의 온도를 높인다. 그 결과로서, 에너지가 낭비된다.
따라서 10℃일 때 30,000㎤실내가 부피가 온도 10℃ 상승할 때 마다 (10℃/273℃)×100%=3.663% 씩 증가하며, 30.000㎤/3.663%=8,250㎤이 증가하고 기압은 1019.2 hPa/3.663%=278.24 hPa이 되며, 실내 밀도의 3.63%인 81,90㎤가 외부로 유출된다. 이를 방지하기 위하여, 실내기압을 1019.2 hPa로 유지하고, 유출되는 열을 회수하여 이용하므로 에너지를 절약할 수 있다.
즉, 냉난방 장치에 의하여, 실내 온도를 △T만큼 높이면, 이에 비례하는 만큼의 실내 공기를 △V 만큼 배출한다. 반대로, 실내 온도를 △T만큼 낮추면, 이에 비례하는 만큼의 옥외 공기를 △V 만큼 유입시킨다. 이때, 배출/유입되는 △V 는 온도 변화 △T에 비례한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명에 따라 기압변화에 의한 조화기 구성과 그 제어를 도시한 구성도이다.
공기 조화기(400a)는 실내 센서계(303)의 측정값(기압 측정값)과 옥외 기압계(203) 측정값으로, 각 층의 층별 댐퍼(304)를 조절하여 실내 기압을 조절하여 전체를 관장한다. 공기 조화기(400a)는 조화기 제어장치(400)를 통하여 제어된다.
즉, 조화기 제어장치(400)는 실내 기압을 외부 기압(또는 옥외 기압)과 대비하여, 실내 기압이 높이면 공기를 외부로 배출시키고, 실내기압이 옥외 기압에 비하여 낮으면 공기를 내부로 유입시킨다.
도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 공기 조화기(400a)는 리턴송풍기(403), 배기조절기(405), 외기조절기(406), 혼합조절기(407), 및, 공급송풍기(414)로 구성된다. 또한, 리턴공기 또는 공급공기의 양을 측정하는 리턴공기량 측정기(402) 및, 공급공기량 측정기(413)를 추가하여 구성된다.
또한, 폐열회수기(404), 전기히터(408), 압력차계(409), 냉난방 공급기(410), 습도조절기(411) 등을 추가하여 구성될 수 있다.
또한, 공기 조화기(400a)는 공기를 보내는 닥트를 포함하여 구성되고, 상기 닥트는 리턴공기가 송풍되는 리턴 닥트, 배기되는 공기가 송풍되는 배기 닥트, 외부 공기가 송풍되는 외기 닥트, 공급공기가 송풍되는 공급 닥트 등으로 구분될 수 있다.
즉, 건물 내부의 실내 공기가 리턴 닥트로 들어오고, 건물 외부의 외부 공기는 외기 닥트로 들어와서, 공급 닥트를 통해 실내 공기 또는 외부 공기가 건물의 실내로 공급된다. 한편, 건물 내부에서 순환되는 리턴 공기 중 일부가 배기 닥트를 통해 건물의 외부로 유출된다.
여기서, 리턴 공기는 실내 공기가 공기조화기(400a)로 유입되는 공기를 말한다. 배기 공기는 실내공기를 외부로 배출하는 공기를 말한다. 또한, 외부 공기는 외부에서 실내로 유입하기 위한 공기를 말한다. 그리고 공급 공기는 리턴 공기와 외부 공기를 혼합하여 실내로 공급하는 공기를 말한다.
리턴공기는 공기온도, 공기 질, 실내 기압에 의하여 결정된다. 또한, 리턴공기량 측정기(402)는 리턴공기량을 측정한다. 측정된 리턴공기량에 기초하여, 실내기압을 외부기압과 동일하게 조절하기 위하여 리턴 송풍기(403)의 속도를 인버터로 가변 조절한다.
즉, 리턴공기량은 실내 기압계(303)의 평균측정값(또는 평균 실내 기압)과 옥외기압계(203) 측정값(또는 옥외 기압)에 의하여, 리턴송풍기(403)의 속도를 비례-적분-미분 제어(PID, proportional integral and derivative control)하여 인버터로 가변 조절한다. 한편, 옥외 기압은 기상청 발표 자료에 의한 기압이 사용되거나, 이 자료에 의해 보완될 수 있다.
배기조절기(405)는 실내 센서계(303) 측정값(또는 실내 기압)에 의하여, 비례 제어된다. 상기 실내 기압이 상기 옥외 기압보다 높으면, 배기조절기(405)를 열어 실내 공기를 배기한다. 이때, 배기조절기(405)의 열림에 반비례하여 혼합조절기(407)를 조절하여 실내공기를 배기한다.
즉, 리턴 공기, 즉, 실내에서 순환하는 공기는 혼합조절기(407)에 의해 일부는 외부로 배출되거나, 일부는 다시 실내 내부로 공급된다. 즉, 혼합조절기(407)는 리턴 공기를 외기 또는 공급 공기로 전환하여 조절하는 기능을 갖는다.
이때 바람직하게는, 폐열이용(404)을 이용하여 냉난방 열을 회수하여 재이용한다. 폐열이용(404)은 회수되어 저장되었다가 필요시 냉난방 공급기(410)에 공급되어 재이용하도록 하여 에너지를 절약한다.
외기조절기(406)는 실내공기 센서계(303) 측정값(또는 실내 기압)에 의하여 비례-적분-미분(PID) 제어된다. 상기 실내 기압이 상기 옥외 기압 보다 낮으면, 외기조절기(406)를 조절하여 외부공기를 흡입한다. 이때, 혼합조절기(407)의 열림에 반비례하여 외기조절기(406)를 조절하여 외부공기를 흡입한다.
이때 공급 송풍기(414)는 인버터에 의하여 속도를 조절하되, 실내 센서계(303) 측정값(실내 기압)에 의하여 비례-적분-미분(PID) 제어로 가변 조절한다.
공급공기량을 측정하여 상기 리턴공기량과 비교한다.
실내 기압에 따라, 공급 송풍기(414)의 인버터에 의하여, 그 속도를 비례-적분-미분(PID) 제어로 가변 조절한다. 즉, 실내 기압이 높은 경우 적은 양의 공기를 공급하고, 낮은 경우 많은 양의 공기를 공급하도록 제어한다.
공기 조절 방법을 요약하면, 다음과 같다.
실내 기압이 높으면 리턴 공기량을 각층의 메인조절기(댐퍼)가 조절하여 리턴 공기량을 조절한다. 실내 기압이 높으면 배기조절기(405)를 열어 실내 공기를 배출하고 외기공기는 실내기압이 낮으면 외부에서 실내로 유입한다.
제어에서 실내 기압이 높으면 배기조절기(405)가 열리고, 이때의 열림 각은 실내의 기압과 실외 기압의 차에 비례한다. 또한 실내 기압이 낮으면 외기조절기(406)가 열리며 열림 각은 실내의 기압과 실외 기압의 차에 비례한다.
따라서 실내 기압만으로 제어한다면, 실내 기압이 높으면 배기조절기(405)가 열리고, 낮으면 외기조절기(406)가 열린다. 이때, 배기공기량 만큼의 기압이 낮아지거나, 유입된 공기량만큼의 기압이 높아진다.
유입된 외기공기는 리턴 공기와 혼합되어 실내로 공급된다. 이때 혼합조절기가 적게 열리면 배기 공기량이 많아지고, 많이 열리면 배기 공기량이 적어진다.
한편, 실내기압이 높으면 배기조절기(405)가 많이 열리고 혼합조절기(406)는 반비례하여 적게 열린다. 따라서 외부로 배출되는 공기량이 많아진다. 실내기압이 낮으면 배기조절기는 닫히고 혼합조절기는 반대로 최대로 열린다. 따라서 외부로 배출되는 공기는 없게 된다.
외부로 배출되는 공기가 없으면, 실내기압의 실외 기압과 비교하여 얼마나 낮은지에 따라 외부공기의 유입량이 결정된다. 결정된 유입량은 외기조절기(406)에 의해 외부 공기가 실내로 유입된다. 즉, 이 또한 실내기압에 따라 비례하여 외부공기 유입량이 결정된다.
냉난방 장치(410)는 실내 온도를 조절하는 장치로서, 실내 온도에 따라 공급되거나 차단된다. 또한, 냉난방 장치(410)는 리턴공기(401)가 배기되거나 외기공기가 실내로 유입되는 영향을 받는다. 즉, 실내공기는 온도가 올라가면 기압이 상승되고, 내려가면 기압은 하강한다.
전기히터(408)는 공기 조화기(400a)의 동파방지나 일정온도를 유지하기 위하여 설치된다. 압력차계(409)는 공기의 먼지나 미세먼지를 걸러내는 거름 장치의 전후 압력차를 측정하여 상기 거름 장치의 청소나 교환을 하기 위하여 설치된다. 또한, 습도조절 장치(411)는 실내의 적정습도 조절을 위하여 설치된다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
100 : 중앙감시제어장치
201 : 삼상 게이트웨이 장치 202 : 단상 게이트웨이 장치
203 : 옥외 기압계
301 : 냉난방 제어장치 303 : 실내 센서계
304 : 댐퍼
400 : 조화기 제어장치

Claims (10)

  1. 다수의 층으로 구성된 건물의 냉난방 및 기압을 제어하는, 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템에 있어서,
    상기 건물의 각 층에 구비되어, 상기 각 층의 실내 기압을 측정하는 실내 센서계;
    상기 건물의 외부에 구비되어, 상기 건물의 외부 기압을 측정하는 옥외 기압계;
    상기 건물의 지능형 전력망(smart grid)을 이용하여 데이터 통신을 수행하는 게이트웨이 장치;
    상기 건물에 설치된 공기조화기를 제어하는 조화기 제어장치; 및,
    상기 실내 센서계 및 상기 옥외 기압계에서 측정된 실내 기압 및 외부 기압을 상기 게이트웨이 장치를 통해 수신하여, 상기 실내 기압과 외부 기압의 차이(이하 기압 차이)에 따라 상기 조화기 제어장치를 통해 상기 공기조화기를 제어하는 중앙제어장치를 포함하고,
    상기 조화기 제어장치는 상기 기압 차이에 따라 상기 공기 조화기에서 외부 공기를 건물 내부로 유입하거나, 내부 공기를 건물 외부로 배출시키고,
    상기 중앙제어장치는 상기 실내 기압이 상기 외부 기압보다 높으면 상기 공기 조화기를 통해 상기 내부 공기를 건물 외부로 배출하고, 상기 실내 기압이 상기 외부 기압보다 낮으면 상기 외부 공기를 건물 내부로 유입시키도록 제어하고,
    상기 조화기 제어장치는 상기 공기 조화기에서 배출되는 공기의 열 또는 냉기를 회수하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트웨이 장치는 상기 지능형 전력망의 2상을 이용하여 연결되는 단상 게이트웨이 장치 및, 상기 지능형 전력망의 3상을 이용하여 연결되는 삼상 게이트웨이 장치로 구성되고,
    상기 실내 센서계, 상기 옥외 기압계, 상기 조화기 제어장치는 상기 지능형 전력망을 통해 상기 단상 게이트웨이 장치와 연결되고,
    상기 중앙제어장치는 상기 지능형 전력망을 통해 상기 삼상 게이트웨이 장치로 연결되고,
    상기 삼상 게이트웨이 장치 및 상기 단상 게이트웨이 장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중앙제어장치는 건물의 각 층에서의 기압 차이에 따라, 각 층별로 공기의 유입 또는 유출을 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중앙제어장치는 상기 측정된 외부 기압으로부터 각 층의 외부 기압을 각 층의 고도에 따라 계산하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중앙제어장치는 건물 내에 구비된 냉난방 장치에서 실내 온도 보다 더운 공기를 공급하면 상기 공기 조화기에서 실내의 공기를 외부로 배출시키고, 상기 냉난방 장치에서 실내 온도보다 차가운 공기를 공급하면 상기 공기 조화기에서 외부의 공기를 실내로 유입시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조화기 제어장치는 상기 공기 조화기에서 실내의 공기를 외부로 배출시킬 때 배출되는 공기의 열을 회수하고, 외부의 공기를 실내로 유입시킬 때 유입되는 공기의 열을 회수하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    배출되거나 유입되는 공기의 양은 상기 냉난방 장치에 의해 변화되는 실내 온도의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 조화기 제어장치는,
    상기 실내 기압이 상기 외부 기압보다 높으면, 상기 공기 조화기에서 배기조절기를 열고, 배기조절기의 열린 정도에 반비례하여 혼합조절기를 적게 열어서, 외부로 배출되는 공기량을 조절하고,
    상기 실내 기압이 상기 외부 기압보다 낮으면, 상기 공기 조화기에서 상기 배기조절기를 닫고 상기 혼합조절기를 최대로 열고, 외기조절기를 열어 외부에서 유입되는 공기량을 조절하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력망 기반 실내의 냉난방과 기압 자동 제어 시스템.
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