KR101776567B1 - 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법 및 이를 이용한 난방제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실내에서의 냉난방을 위해 사용되는 에너지를 절감하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 급기구에서 떨어지는 기류로 인한 콜드 드래프드와 핫 드래프트의 영향으로 인해 열적 쾌적감이 떨어지고, 특히, 동절기에 실내의 위쪽과 아래쪽의 온도 성층화의 영향으로 온열 쾌적감이 극도로 나빠질 수 있으며, 이러한 온도 성층화 현상으로 인해 동절기 실내 난방온도를 지나치게 높게 설정하여 에너지가 낭비되는 원인이 되는 문제가 있었던 종래의 천장 매립형 실내기(FCU)들의 단점을 해소하기 위해, 높이별 실내온도 변화와 이에 따른 재실자의 온열환경을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 기류해석(CFD) 시뮬레이션 분석을 통하여 실내온도 성층화에 따른 에너지 사용패턴을 분석하며, 분석된 결과에 근거하여 냉난방 에너지를 절약할 수 있는 방안을 모색하고 실제 실험을 통해 검증함으로써, 실내 온열환경을 개선하고 효율적인 냉난방을 통해 에너지를 절약할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법 및 이를 이용하여 온도 성층화 현상의 개선 및 에너지 절약이 가능한 냉난방 시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 건물 내부와 같은 실내에서의 냉난방을 위해 사용되는 에너지를 절감하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 급기구에서 떨어지는 기류로 인한 콜드 드래프드(Cold Draft)와 핫 드래프트(Hot Draft)의 영향으로 인해 열적 쾌적감이 떨어질 수 있으며, 특히, 동절기에 실내의 위쪽과 아래쪽의 온도 편차에 따른 온도 성층화의 영향으로 온열 쾌적감이 극도로 나빠질 수 있는 단점이 있는 동시에, 이러한 온도 성층화 현상으로 인해 동절기 실내 난방온도를 지나치게 높게 설정하여 에너지가 낭비되는 원인이 되는 문제가 있었던 종래의 천장 매립형 실내기(FCU ; fan coil unit)들의 단점을 해소하기 위해, 천장 매립형 실내기가 설치된 건물에서의 효율적인 냉난방을 통한 에너지 절약을 구현할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 천장 매립형 실내기(FCU)가 설치된 건물에서의 효율적인 냉난방을 통한 에너지 절약을 구현하기 위해, 높이별 실내온도 변화와 이에 따른 재실자의 온열환경을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 기류해석(CFD ; Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션 분석을 통하여 실내온도 성층화에 따른 에너지 사용패턴을 분석하며, 분석된 결과에 근거하여 냉난방 에너지를 절약할 수 있는 방안을 모색하고 실제 실험을 통해 검증함으로써, 실내 온열환경을 개선하고 효율적인 냉난방을 통해 에너지를 절약할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 동절기 온도 성층화 현상 및 이로 인해 난방에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래기술의 천장 매립형 실내기를 설치한 실내 냉난방 시스템 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해 실내 온열환경 개선 및 동절기 난방에너지 사용량을 절감할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여, 온도 성층화 현상의 개선 및 에너지 절약이 가능하도록 구성되는 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 천장 매립형 실내기(FCU ; fan coil unit)는, 에어컨, 멀티 시스템 에어컨, 히트펌프의 팬코일 유닛 등 다양한 냉난방 시스템의 열공급 형태로 시스템을 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 실내 공간 효율성을 높이고, 전력선, 냉난방 공급배관 등 냉난방 공급에 필요한 부속 자재들을 천장에 매립하여 시각적으로도 매우 깔끔하게 설치할 수 있는 장점으로 인해, 최근 많은 건물들에 널리 설치되고 있다.
또한, 천장 매립형 실내기를 주로 사용하는 멀티 시스템 에어컨의 경우, 시스템 설치에 필요한 면적이 적고, 기존 건물에도 추가적인 설치가 매우 용이하여 중소규모 사무소 건물은 물론, 학교, 판매시설, 가정에 이르기까지 천장 매립형 실내기의 설치와 보급이 지속적으로 확대되고 있다.
여기서, 천장 매립형 실내기는 급기구에서 떨어지는 기류로 인한 콜드 드래프드(Cold Draft)와 핫 드래프트(Hot Draft)의 영향으로 부분적인 열적 쾌적감이 떨어질 수 있으며, 특히, 동절기에는, 실내의 위쪽과 아래쪽의 온도 편차에 따른 온도 성층화의 영향으로 인해 온열 쾌적감이 극도로 나빠질 수 있는 단점이 있다.
아울러, 이러한 온도 성층화 현상으로 인해, 대부분의 경우 동절기 실내 난방온도를 필요 이상으로 높게 설정하게 되어 난방에 필요한 에너지가 낭비되는 원인이 되기도 하며, 이에, 최근에는, 에너지 낭비를 방지하고 효율적인 냉난방을 수행하기 위한 실내 냉난방 시스템 및 방법에 대하여 여러 가지 연구가 제시된 바 있다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같이 에너지를 절감하고 효율적인 실내 냉난방을 구현하기 위한 시스템 및 방법에 관한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2014-0056649호에 따르면, 2대 이상 설치되는 온풍기; 온풍기에 의해 제공되는 비닐하우스 내부의 대류온도를 측정하는 멀티센서와, 멀티센서의 측정치를 온도신호로 출력하는 온도감지부와, 사용자가 원하는 비닐하우스 내의 온도를 입력 설정할 수 있는 키입력부와, 온도감지부의 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 변환부와, A/D 변환부 및 키입력부로부터의 신호를 받아 메인컴퓨터에 전달하고 메인컴퓨터의 제어신호에 의해 온도제어신호를 출력하는 제어부와, 현재 비닐하우스의 실내 온도, 사용자 설정온도 및 온풍기의 동작상태를 표시하는 디스플레이 및 제어동작에 필요한 프로그램 및 데이터를 저장하는 외부 메모리를 구비하는 온도조절장치를 포함하여, 온도조절장치를 메인 컴퓨터와 직접 연결하고, 온도조절장치와 2개 이상의 온풍기를 유선 또는 무선 통신방식으로 연결하여 온도제어신호에 의해 각 온풍기의 ON-OFF는 물론 온도를 자유로이 제어하여 비닐하우스 내 전체의 온도를 균일하게 유지할 수 있도록 구성되는 균일한 실내온도 유지기능을 갖는 온풍기 온도조절시스템이 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같이 에너지를 절감하고 효율적인 실내 냉난방을 구현하기 위한 시스템 및 방법에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0888453호에 따르면, 실내공기를 흡입하기 위한 흡입송풍기를 가지는 흡입부; 흡입부를 통해 흡입된 실내공기 중 일부를 배출하고 나머지 공기는 새로 유입된 실외공기와 혼합하는 공기혼합부; 공기혼합부에서 공급된 공기를 열교환기에서 저온 또는 고온으로 열교환하는 열교환부; 열교환된 공기를 실내로 환원하기 위한 토출송풍기를 가지는 배출부가 순차적으로 배열 구성된 공기조화기에 있어서, 상기 공기혼합부에 설치된 바이패스 댐퍼 후단에 바이패스 댐퍼를 통과한 실내공기를 난류화시켜 유입된 실외공기와 혼합시키는 난류발생기를 포함하여, 공기조화기의 열교환기 쪽으로 공급되는 더운 공기와 차가운 공기를 혼합시켜 공급함으로써 온도의 성층화를 방지할 수 있도록 구성되는 온도성층화 방지를 위한 난류발생기를 구비한 공기조화기가 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 에너지를 절감하고 효율적인 실내 냉난방을 구현하기 위한 시스템 및 방법에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0479484호에 따르면, 전원을 공급하는 전원공급부, 전원공급부의 전원공급을 ON/OFF 시키는 전원스위치부, 비접촉식 온도감지센서, 저주파필터, 증폭기, 신호조절부, A/D변환기, 데이터처리부, 메모리부, 출력부, 입력부, 냉방 또는 난방을 차단하기 위한 차단기, 외부와의 정보송신을 위한 인터페이스부를 포함하여, 폐쇄된 실내공간에서 온도를 정확히 측정하고 적절히 조절함으로써 효율적으로 냉난방 시스템을 가동하여 불필요한 에너지낭비를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 공간에 위치한 사람들에게 최적의 쾌적함을 제공할 수 있도록 구성되는 폐쇄된 실내공간에서 냉난방을 공급하기 위한 온도측정시스템이 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같이 에너지를 절감하고 효율적인 실내 냉난방을 구현하기 위한 시스템 및 방법에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0475193호에 따르면, 실내공간으로 출입하는 인원수를 체크하도록 출입문에 설치하는 카운터, 비접촉식 온도측정이 가능한 온도감지센서, 저주파필터, 증폭기, 신호조절부, A/D 변환기, 데이터처리부, 메모리부, 데이터저장부, 출력부, 인터페이스부를 포함하여, 실내공간으로 출입되는 인원수를 정확하게 체크하고 인원수와 실제 실내온도의 상관관계를 측정함으로써, 냉난방이 과도하게 공급되어 에너지가 낭비되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 해당 장소에 수용된 사람들에게 최적의 쾌적감을 제공할 수 있도록 구성되는 실내 수용인원을 고려한 냉난방 온도측정시스템이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 에너지 절감을 위한 실내 냉난방 시스템 및 방법에 대하여 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 방법들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같이, 기존의 천장 매립형 실내기는, 특히, 동절기에 실내의 위쪽과 아래쪽의 온도 편차에 따른 온도 성층화의 영향으로 인한 온열 쾌적감 악화 및 난방에너지가 낭비되는 문제가 있으나, 상기한 종래기술의 내용들은, 단순히 실내온도에 따라 냉난방을 조절하거나, 공기 순환을 통해 온도를 조절하는 기본적인 내용만을 제시하는데 그치는 것이었다.
즉, 최근, 공간의 활용성 및 시각적 용이성 등의 여러 가지 장점으로 인해 바닥에 설치하던 실내기가 천장 매립형으로 전환되고 있으나, 아직까지 천장 매립형 실내기를 설치한 실내에서의 동절기 온도 성층화 현상 및 이로 인한 난방에너지 낭비를 해소하기 위한 체계적인 연구는 미흡한 실정이다.
아울러, 천장 매립형 실내기에 대한 실내 온열감 개선과 에너지 절약을 위한 종래의 연구들은, 대부분 시뮬레이션 분석을 기반으로 하는 점에서 그 한계가 있으며, 실증 실험의 경우에도 단기간에 걸친 연구로서 천장 매립형 실내기의 계절별 특성, 작동현황 등에 대한 실증분석 결과는 미흡한 실정이다.
따라서 상기한 바와 같이, 천장 매립형 실내기를 설치한 실내에서 동절기 온도 성층화 현상 및 이로 인해 난방에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래기술의 냉난방 시스템 및 방법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 천장 매립형 실내기가 설치된 실내를 대상으로 계절별 온도 성층화 현상에 대한 정확한 측정 및 분석을 통하여 동절기 온도 성층화를 해결하기 위한 방안을 제시하고, 이를 실제 실험을 통해 검증하여, 현재 천장 매립형 실내기를 설치하였거나 향후 천장 매립형 실내기의 적용을 검토하고 있는 건물에 대한 온열환경 개선은 물론 동절기 난방 에너지를 절감할 수 있는 자료를 제공할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 온도 성층화 측정 및 개선방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 공개특허공보 제10-2014-0056649호 (2014.05.12.)
2. 한국 등록특허공보 제10-0888453호 (2009.03.05.)
3. 한국 등록특허공보 제10-0479484호 (2005.03.19.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0475193호 (2005.02.25.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 급기구에서 떨어지는 기류로 인한 콜드 드래프드(Cold Draft)와 핫 드래프트(Hot Draft)의 영향으로 인해 열적 쾌적감이 떨어지고, 특히, 동절기에 실내의 위쪽과 아래쪽의 온도 편차에 따른 온도 성층화의 영향으로 온열 쾌적감이 극도로 나빠지며, 이러한 온도 성층화 현상으로 인해 동절기 실내 난방온도를 지나치게 높게 설정하여 에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래의 천장 매립형 실내기(FCU)들의 단점을 해소하기 위해, 높이별 실내온도 변화와 이에 따른 재실자의 온열환경을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 기류해석(CFD) 시뮬레이션 분석을 통하여 실내온도 성층화에 따른 에너지 사용패턴을 분석하며, 분석된 결과에 근거하여 냉난방 에너지를 절약할 수 있는 방안을 모색하고 실제 실험을 통해 검증함으로써, 천장 매립형 실내기가 설치된 건물에서의 온도 성층화 현상을 해소하여 실내 온열환경을 개선하고 효율적인 냉난방을 통해 에너지를 절약하기 위한 구체적이고 상세한 자료를 제시할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 동절기 온도 성층화 현상 및 이로 인해 난방에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래기술의 천장 매립형 실내기를 설치한 실내 냉난방 시스템 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, CFD 시뮬레이션 분석과 PMV(Predicted Mean Vote) 측정 및 계산, 온도센서를 이용한 실증실험을 통하여, 시뮬레이션을 기반으로 이론해석과 실증실험을 병행하는 것에 의해 실내 온열환경 개선 및 동절기 난방에너지 사용량을 절감할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여, 온도 성층화 현상의 개선 및 에너지 절약이 가능하도록 구성되는 냉난방 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방안을 제시하기 위한 일련의 처리과정이 컴퓨터나 또는 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 온도 성층화 개선방법에 있어서, 온도센서를 포함하는 복수의 센서를 통해 분석대상이 되는 실내공간에 대한 실제 측정값을 수신하고 미리 정해진 일정기간 동안의 모니터링을 통하여 온도 성층화 개선방안을 수립하기 위한 시뮬레이션 분석에 필요한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 데이터베이스 형태로 저장하는 처리가 수행되는 데이터베이스 구축단계; 상기 데이터베이스 구축단계에서 수집된 데이터를 이용하여 온도 성층화 개선을 위한 복수의 시뮬레이션 모델을 구축하고, 각 모델에 대한 시뮬레이션 분석을 수행하는 처리가 수행되는 시뮬레이션 분석단계; 각각의 모델에 대하여 상기 시뮬레이션 분석단계에서의 분석결과의 타당성을 평가하는 처리가 수행되는 평가단계; 및 상기 평가단계의 평가결과에 근거하여 최적의 모델을 선정하는 것에 의해 상기 실내공간에 최적화된 온도 성층화 개선방안을 결정하는 처리가 수행되는 개선방안 제시단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법이 제공된다.
여기서, 상기 데이터베이스 구축단계는, 분석대상이 되는 상기 실내공간에 대한 온열환경을 조사하기 위해 복수의 온도센서를 설치하여 바닥에서 천장까지의 높이별 온도를 측정하고, 각각의 온도센서를 통해 측정된 데이터를 수집하는 과정과, 적외선 열화상(Infra-red; IR) 카메라를 이용한 온도차 측정방법(Temperature Difference Ratio ; TDR)에 의해 단열평가를 수행하는 과정; 및 상기 실내공간에 설치된 천장 매립형 실내기(FCU)에서 토출되는 풍량의 풍속을 측정하고 최고 풍속을 나타내는 토출구를 100% 기준으로 하여 각 토출구의 풍속상태를 구간별로 나누어 분류하는 과정을 통하여 수집된 데이터를 상기 데이터베이스로 구축하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단열평가를 수행하는 과정은, 이하의 수학식을 이용하여 TDRo 기법에 의해 벽체의 내표면 결로 판정지표를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
(여기서, Ti는 실내 온도(℃), Tos는 외피의 외표면 온도(℃), To는 측정 당시 외기온도(℃)를 각각 나타냄)
아울러, 상기 시뮬레이션 분석단계는, 상기 데이터베이스 구축단계에서 수집된 데이터에 근거하여 상기 실내공간에 대한 모델링 작업을 수행하고, 구축된 각각의 모델에 대하여 실측 온도분포와 시뮬레이션 온도분포를 비교하여 타당성을 검증하는 모델링 과정과, 상기 모델링 과정에서 모델링된 각각의 모델에 대하여 Fluent CFD(Computational fulid dynamic) 해석 프로그램을 이용하여 온도 성층화 기류해석을 위한 시뮬레이션 분석을 수행하는 CFD 분석과정을 포함하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모델링 과정은, 상기 실내공간에 아무런 추가구성이 설치되지 않은 기본모델과, 상기 실내공간에 성층화를 유발하는 것으로 예상되는 열취약부위에 컨벡터(convector)가 추가된 컨벡터 모델 및 상기 컨벡터와 함께 강제대류를 위한 순환팬이 설치된 순환팬 모델에 대하여 각각 모델링을 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 CFD 분석과정은, 상기 기본모델, 상기 컨벡터 모델 및 상기 순환팬 모델에 대하여 온도분포, 기류분포, 기류 유속분포 및 기류 유적선에 대한 분석을 각각 수행하고, 모든 케이스에 대한 분석결과를 종합하여 온도 성층화의 개선효과를 비교분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 평가단계는, 상기 시뮬레이션 분석단계의 분석결과를 검증하기 위해 복수의 서로 다른 개선방안에 대한 복수의 케이스를 각각 상정하고, 각각의 케이스에 따라 상기 실내공간에 복수의 온도센서 및 각 케이스별로 추가되는 추가설비를 설치하는 과정과, 각 케이스별로 실내의 예상온열감(Predicted Mean Vote; PMV)을 측정하는 과정과, 각 케이스별로 순환팬의 유속을 측정하는 과정과, 각 케이스별로 상기 추가설비에 대한 전력사용량을 측정하는 과정과, 각 케이스별로 열화상 카메라를 이용하여 온도분포를 측정하는 과정 및 각각의 케이스에 대하여 높이별 온도분포 및 최대-최소 온도편차를 비교분석하여 온도 성층화의 개선효과를 평가하는 과정을 포함하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 평가단계는, FCU만 운영되는 경우, FCU와 컨벡터가 운영되는 경우, FCU와 컨벡터 및 순환팬이 운영되는 경우에 더하여, 상기 순환팬의 각도 및 가구배치의 유무를 고려하여 각각의 케이스를 설정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 평가단계는, 상기 온도분포 및 상기 최대-최소 온도편차에 더하여, 각 케이스별로 측정된 PMV를 비교분석하여 온도 성층화 개선과 온열 쾌적감의 개선효과를 함께 평가하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 방법은, 에너지 및 부하 시뮬레이션을 위한 에너지플러스(Energy Plus) 프로그램을 이용하여, 건물의 에너지 사용량에 대한 시뮬레이션 분석을 수행하는 처리가 수행되는 에너지 시뮬레이션 분석단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 개선방안 제시단계는, 상기 평가단계의 평가결과 및 상기 에너지 시뮬레이션 분석단계의 분석결과에 근거하여, 온도성층화와 온열 쾌적감 및 에너지 사용량을 고려하여 온도 성층화 개선방안을 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 냉난방을 실시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 운영방법이 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 실내의 난방을 제어하는 난방제어 시스템에 있어서, 전원공급에 의해 작동하면서 난방을 위한 열기를 제공하는 컨벡터; 상기 컨백터에 각도조절이 가능하게 결합되어 상기 컨벡터에서 발생하는 열기를 실내로 확산시키는 송풍팬; 실내의 설정된 지점에 설치되어 각 지점의 온도를 측정하여 인가하는 온도센서; 상기 컨벡터와 상기 송풍팬 및 상기 온도센서의 작동을 제어하며, 상기 온도센서의 측정신호를 기반으로 상기 송풍팬의 송풍각도를 제어하는 제어부; 및 상기 송풍팬을 상기 컨벡터에 각도조절이 가능한 상태로 탁찰 가능하게 결합시키며, 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 송풍팬의 각도를 조절시키는 송풍팬 커넥터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컨벡터를 이용한 난방제어 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 송풍팬 커넥터는, 상기 컨벡터의 상부에 형성되는 가이드레일; 상기 가이드레일을 따라 결합되는 가이드가 형성되는 결합플레이트; 상기 결합플레이이트에 틸팅 가능하게 결합되고, 상기 송풍팬이 설치되는 회전플레이트; 상기 회전플레이트와 상기 결합플레이트를 연결하며, 상기 회전플레이트가 틸팅되는 중심을 제공하는 힌지축; 및 상기 제어부의 제어에 의해 상기 힌지축을 중심으로 상기 회전플레이트가 틸팅되도록 구동력을 제공하는 모터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송풍팬 커넥터는, 상기 송풍팬을 상기 회전플레이트에 결합시키면서 상기 송풍팬의 좌우 회전을 허용하는 스윙부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 스윙부재는, 상기 송풍팬과 좌우 회전 가능하게 결합되는 회전축; 및 상기 회전축으로 동력을 전달하는 동력전달부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 송풍팬 커넥터는, 상기 결합플레이트와 상기 회전플레이트 및 상기 힌지축과 동일하게 구성되어 또 다른 송풍팬을 회전가능한 상태로 상기 가이드레일에 추가로 결합시키는 추가 커넥터; 및 상기 힌지축을 상기 추가 커넥터의 힌지축과 맞물려 결합시키면서 상기 모터의 작동에 따라 상기 힌지축들을 연동시키는 연동부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연동부재는, 상기 힌지축에 돌출되게 형성되는 키; 및 상기 추가 커넥터의 힌지축에 형성되어 상기 키가 삽입되어 고정되는 키홈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 높이별 실내온도 변화와 이에 따른 재실자의 온열환경을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 기류해석(CFD) 시뮬레이션 분석을 통하여 실내온도 성층화에 따른 에너지 사용패턴을 분석하며, 분석된 결과에 근거하여 냉난방 에너지를 절약할 수 있는 방안을 모색하고 실제 실험을 통해 검증하는 것에 의해, 천장 매립형 실내기가 설치된 건물에서의 온도 성층화 현상을 해소하여 실내 온열환경을 개선하고 효율적인 냉난방을 통해 에너지를 절약하기 위한 구체적이고 상세한 자료를 제시할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법이 제공됨으로써, 급기구에서 떨어지는 기류로 인한 콜드 드래프드와 핫 드래프트의 영향으로 인해 열적 쾌적감이 떨어지고, 특히, 동절기에 실내의 위쪽과 아래쪽의 온도 편차에 따른 온도 성층화의 영향으로 온열 쾌적감이 극도로 나빠지며, 이러한 온도 성층화 현상으로 인해 동절기 실내 난방온도를 지나치게 높게 설정하여 에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래의 천장 매립형 실내기(FCU)들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 CFD 시뮬레이션 분석과 PMV 측정 및 계산, 온도센서를 이용한 실증실험을 통하여 시뮬레이션을 기반으로 이론해석과 실증실험을 병행하는 것에 의해 실내 온열환경 개선 및 동절기 난방에너지 사용량을 절감할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여, 온도 성층화 현상의 개선 및 에너지 절약이 가능하도록 구성되는 냉난방 시스템이 제공됨으로써, 동절기 온도 성층화 현상 및 이로 인해 난방에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래기술의 천장 매립형 실내기를 설치한 실내 냉난방 시스템 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 TDRi 산출을 위한 측정조건 및 TDRi에 의한 벽체의 내표면 성능 판정지표의 예를 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용된 시뮬레이션 모델링의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 기본 모델에 대한 시뮬레이션 해석과 실측온도 비교결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 기본 모델에 대한 시뮬레이션 해석과 실측온도 비교결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터와 강제대류를 위한 순환팬을 추가로 설치하는 방안을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 1에 나타낸 기본모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 온도분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에 나타낸 기본모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1에 나타낸 기본모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터를 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 온도분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터를 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류분포를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터를 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
도 13은 도 5에 나타낸 컨벡터와 순환팬을 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 온도분포를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 5에 나타낸 컨벡터와 순환팬을 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류분포를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 5에 나타낸 컨벡터와 순환팬을 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
도 16은 모든 케이스에 대한 분석결과를 종합하여 나타낸 도면이다.
도 17은 높이별 온도측정 실험을 위한 온도센서 설치위치 및 설치 조건을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 검증실험의 수행 내용을 각 케이스별로 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 19는 도 17에 나타낸 케이스 1(Case1)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 도 17에 나타낸 케이스 2(Case2)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 21은 도 17에 나타낸 케이스 3(Case3)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 22는 도 17에 나타낸 케이스 4(Case4)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 23은 도 17에 나타낸 케이스 5(Case5)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 24는 도 17에 나타낸 케이스 6(Case6)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 25는 도 17에 나타낸 케이스 7(Case7)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 26은 도 17에 나타낸 케이스 8(Case8)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 27은 도 17에 나타낸 각 케이스의 최대-최소 온도편차를 평균으로 나타내어 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 28은 SC1 시나리오에 따라 표준모델에서 연간 냉난방 작동에 따른 PMV 거동을 나타낸 도면이다.
도 29는 SC1 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 결과를 도수분포표와 연평균으로 각각 나타낸 도면이다.
도 30은 SC2 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 도수분포표 및 SC1과 SC2 시나리오별 연평균 PMV를 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 31은 SC3 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 도수분포표 및 각 시나리오별 연평균 PMV를 비교분석한 결과를 각각 나타내는 도면이다.
도 32는 실내온도 설정에 따른 각 시나리오별 연간 에너지 소비량 및 PMV 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 실내의 난방을 제어하기 위한 난방제어 시스템에 적용되는 컨벡터의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 실내의 난방을 제어하기 위한 난방제어 시스템에 적용되는 컨벡터의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 35는 도 33에 나타낸 컨벡터의 송풍팬 커넥터의 구체적인 구성을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 36은 도 33에 나타낸 컨벡터를 포함하여 구성되는 난방제어 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 37은 도 33에 나타낸 컨벡터의 송풍팬 커넥터의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 TDRi 산출을 위한 측정조건 및 TDRi에 의한 벽체의 내표면 성능 판정지표의 예를 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용된 시뮬레이션 모델링의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 기본 모델에 대한 시뮬레이션 해석과 실측온도 비교결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 기본 모델에 대한 시뮬레이션 해석과 실측온도 비교결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터와 강제대류를 위한 순환팬을 추가로 설치하는 방안을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 1에 나타낸 기본모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 온도분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에 나타낸 기본모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1에 나타낸 기본모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터를 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 온도분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터를 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류분포를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터를 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
도 13은 도 5에 나타낸 컨벡터와 순환팬을 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 온도분포를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 5에 나타낸 컨벡터와 순환팬을 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류분포를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 5에 나타낸 컨벡터와 순환팬을 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
도 16은 모든 케이스에 대한 분석결과를 종합하여 나타낸 도면이다.
도 17은 높이별 온도측정 실험을 위한 온도센서 설치위치 및 설치 조건을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 검증실험의 수행 내용을 각 케이스별로 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 19는 도 17에 나타낸 케이스 1(Case1)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 도 17에 나타낸 케이스 2(Case2)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 21은 도 17에 나타낸 케이스 3(Case3)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 22는 도 17에 나타낸 케이스 4(Case4)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 23은 도 17에 나타낸 케이스 5(Case5)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 24는 도 17에 나타낸 케이스 6(Case6)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 25는 도 17에 나타낸 케이스 7(Case7)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 26은 도 17에 나타낸 케이스 8(Case8)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 27은 도 17에 나타낸 각 케이스의 최대-최소 온도편차를 평균으로 나타내어 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 28은 SC1 시나리오에 따라 표준모델에서 연간 냉난방 작동에 따른 PMV 거동을 나타낸 도면이다.
도 29는 SC1 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 결과를 도수분포표와 연평균으로 각각 나타낸 도면이다.
도 30은 SC2 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 도수분포표 및 SC1과 SC2 시나리오별 연평균 PMV를 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 31은 SC3 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 도수분포표 및 각 시나리오별 연평균 PMV를 비교분석한 결과를 각각 나타내는 도면이다.
도 32는 실내온도 설정에 따른 각 시나리오별 연간 에너지 소비량 및 PMV 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 실내의 난방을 제어하기 위한 난방제어 시스템에 적용되는 컨벡터의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 실내의 난방을 제어하기 위한 난방제어 시스템에 적용되는 컨벡터의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 35는 도 33에 나타낸 컨벡터의 송풍팬 커넥터의 구체적인 구성을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 36은 도 33에 나타낸 컨벡터를 포함하여 구성되는 난방제어 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 37은 도 33에 나타낸 컨벡터의 송풍팬 커넥터의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법 및 이를 이용한 난방제어 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 급기구에서 떨어지는 기류로 인한 콜드 드래프드와 핫 드래프트의 영향으로 인해 열적 쾌적감이 떨어지고, 특히, 동절기에 실내의 위쪽과 아래쪽의 온도 편차에 따른 온도 성층화의 영향으로 온열 쾌적감이 극도로 나빠지며, 이러한 온도 성층화 현상으로 인해 동절기 실내 난방온도를 지나치게 높게 설정하여 에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래의 천장 매립형 실내기(FCU)들의 단점을 해소하기 위해, 높이별 실내온도 변화와 이에 따른 재실자의 온열환경을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 기류해석(CFD) 시뮬레이션 분석을 통하여 실내온도 성층화에 따른 에너지 사용패턴을 분석하며, 분석된 결과에 근거하여 냉난방 에너지를 절약할 수 있는 방안을 모색하고 실제 실험을 통해 검증함으로써, 천장 매립형 실내기가 설치된 건물에서의 온도 성층화 현상을 해소하여 실내 온열환경을 개선하고 효율적인 냉난방을 통해 에너지를 절약하기 위한 구체적이고 상세한 자료를 제시할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 동절기 온도 성층화 현상 및 이로 인해 난방에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래기술의 천장 매립형 실내기를 설치한 실내 냉난방 시스템 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, CFD 시뮬레이션 분석과 PMV(Predicted Mean Vote) 측정 및 계산, 온도센서를 이용한 실증실험을 통하여, 시뮬레이션을 기반으로 이론해석과 실증실험을 병행하는 것에 의해 실내 온열환경 개선 및 동절기 난방에너지 사용량을 절감할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여, 온도 성층화 현상의 개선 및 에너지 절약이 가능하도록 구성되는 냉난방 시스템에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법 및 이를 이용한 난방제어 시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법은, 크게 나누어, 온도센서와 같은 각종 센서를 통해 분석대상이 되는 실내공간에 대한 실제 측정값을 수신하고 모니터링하여 온도 성층화 개선방안을 수립하기 위한 시뮬레이션 분석에 필요한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 데이터베이스 형태로 저장하는 데이터베이스 구축단계(S10)와, 상기한 데이터베이스 구축단계(S10)에서 수집된 데이터를 이용하여 온도 성층화 개선을 위한 복수의 모델을 구축하고, 기류해석(CFD) 시뮬레이션 분석을 통해 각 모델에 대한 시뮬레이션 분석을 수행하는 시뮬레이션 분석단계(S20)와, 각각의 모델에 대하여 상기한 시뮬레이션 분석단계(S20)에서의 분석결과의 타당성을 평가하는 평가단계(S30)와, 상기한 평가단계(S30)의 평가결과에 근거하여 최적의 모델을 선정하는 것에 의해 해당 실내공간에 최적화된 온도 성층화 개선방안을 결정하는 개선방안 제시단계(S40)를 포함하는 일련의 처리과정이 컴퓨터나 또는 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 방법은, 후술하는 바와 같이 하여, 에너지 및 부하 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 건물의 에너지 사용량에 대한 시뮬레이션 분석을 수행하는 에너지 시뮬레이션 분석단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 천장 매립형 실내기와 관련된 최근 국내 문헌자료를 토대로 실내 온열환경 개선 및 에너지 절감에 대한 선행 연구 및 실험 내용을 정리 분석하고, 동절기 온도 성층화 개선에 대한 실험방향과 분석방법 등에 대한 기초 자료를 수집하였으며, 이에 더하여, 장기간의 모니터링 자료를 통해 계절별 온도분포와 동절기 온도 상층화 현상에 대한 실험자료를 분석하여 계절 변화에 따른 실내온도의 높이별 온도변화의 분포와 원인을 정리하는 것에 의해 선행 실험내용에 대한 계절별 성층화 현황을 파악하였다.
또한, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 상기한 바와 같은 선행 실험내용을 토대로 기류해석(CFD) 시뮬레이션 분석을 실시하여 온도 성층화 개선을 위한 시뮬레이션 분석을 수행하였으며, 이를 위해, 시뮬레이션 모델링 분석을 위한 타당성 평가를 실시하고, 타당성 평가가 이루어진 해석모델을 기준으로 성층화 개선방안에 대한 단계별 분석을 통해 성층화 개선방안을 제시하였다.
아울러, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 상기한 바와 같은 시뮬레이션 모델링 분석에 의해 제시된 개선방안을 토대로 각각의 경우(CASE)별로 실험에 필요한 설비기기 및 센서를 설치하고, 각각의 경우에 따른 시스템 운영과 실험결과 분석을 통해 동절기 성층화 개선방안에 대한 실증실험 및 분석을 실시하였다.
더욱이, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 동절기 온도 성층화 개선에 대한 내용에 대하여만 실험이 이루어지는 한계를 극복하기 위해, 건물에너지 프로그램인 에너지 플러스(Energy Plus)를 이용하여 온열환경 개선 및 에너지 절감방안을 제시하고, 제시된 방안에 대한 동절기 난방에너지 절감량을 정략적으로 평가하는 것에 의해 에너지 시뮬레이션을 통한 온열환경 개선 및 에너지 절감 방안을 제시하였다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는, 국립환경과학원 탄소제로형 기후변화연구동에 대하여 각종 측정 및 실험이 수행된 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이하에 설명하는 실시예의 경우로만 한정되는 것은 아니며, 냉난방이 운영되는 실내에 대하여 다양한 경우에 폭넓게 적용될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
더 상세하게는, 먼저, 본 발명자들이 근무하는 탄소제로형 기후변화연구동의 통합에너지 성능 및 건축 환경성능 평가 연구의 일환으로 탄소제로건물의 사용자들이 실생활에서 느끼는 온열환경을 조사하기 위해 실시된 설문조사 내용에 대하여 따르면, 하절기는 87%가 적정하다거나 오히려 춥다고 응답하였고, 중간기의 경우도 88% 이상의 응답자들이 적정하다고 응답하였으나, 동절기 만족도 조사에서는 62%에 해당하는 응답자들만이 춥거나 약간 춥다로 응답하여 다른 계절에 비해 동절기 온열 쾌적감이 떨어지는 것으로 나타났다.
이에, 본 발명자들은, 이와 같은 동절기 온열 불만족도에 대한 원인을 분석하기 위해 지구환경연구동의 인벤토리 연구실에 온도 성층화 실험을 위한 온도센서를 설치하여 높이별 온도에 대한 추가적인 실험을 실시하였다.
여기서, 인벤토리 연구실은 바닥에서 천장까지의 천장고가 2.7m이고, 바닥에서 50cm 간격으로 한 지점당 5개의 온도센서를 중앙, 외벽, 내벽 근처 4지점에 설치하였으며, 성층화의 원인으로 될 수 있는 바닥의 온도를 알아보기 위해 외벽부와 중앙부에 2개의 온도센서를 추가적으로 설치하였다.
또한, 온도센서는 건물 실험용으로 가장 많이 사용하는 썸머커플 T-type(TC)을 설치하였고, 데이터 수집을 위한 HP사의 34970A 모델을 이용하였으며, 데이터 수집을 위한 프로그램은 NI사의 랩뷰 7.1 프로그램으로 별도의 모니터링 프로그램을 제작하여 실험에 활용하였다.
아울러, 실험기간은 2013년 8월 20일부터 2014년 5월 17일까지 24시간 데이터를 수집하였으며, 데이터 수집은 1분 단위로 1일 1440개의 데이터가 수집되었고, 연구실의 냉난방 시스템 작동상태, 구동현황, 기기 사용현황 등은 이미 지구환경연구동에 설치된 모니터링 프로그램의 자료를 활용하여 분석을 실시하였다.
더욱이, 하절기 정부에서 제시하는 공공기관의 지역별 냉난방 가동 중지시간에 대한 지침에 따라 지구변화연구동은 공공건물로써 B지역에 해당하므로, 냉난방 운영시간은 오전 10 ~ 11시, 오후 13시 ~ 14시 15분으로 운전되며, 냉방시 설정온도는 28℃로 운영되고, 동절기의 경우는 특별히 가동중지에 대한 지침은 없지만 난방 설정온도에 대한 지침은 22℃ 이하로 설정되어 있다.
상기한 바와 같이 하여 온도 분석을 실시한 결과, 먼저, 하절기 온도분석 결과는, 하절기 주중에는 오후에 정부의 지침에 따라 냉방기 가동이 중지되고, 2013년 8월 26일 기준으로 근무시간인 오전 8시 30분부터 18시까지 상부 최대온도는 오후 4시 40분으로 1번 지점에서 29.2℃가 나타났고, 이때의 최하부 온도는 28.1℃로 최대와 최소 사이의 온도차는 1.1 ℃ 내외로서 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다.
또한, 하절기 휴일인 2013년 8월 30일의 온도분포를 살펴보면, 실내의 전체 온도는 자정부터 일출 전까지 미소하게 하강하다가 그 이후부터 일몰 전까지 상승하였으며, 이는, 낮에는 일사의 영향에 의해 온도가 상승하기 때문이고, 이때, 바닥 온도는 주중이나 휴일 모두 24.5℃±1℃ 차를 보이고 있어 냉방에 따른 바닥 온도의 영향은 거의 없는 것으로 나타났으며, 냉방을 하지 않는 휴일이 냉방을 하는 주중보다 온도가 낮은 것은 근무시간에 재실자가 이용하면서 발생하는 열이 내부에 유입되기 때문이다.
아울러, 냉난방을 하지 않는 중간기 온도분석 결과는, 주중인 2013년 10월 22일의 온도 분포를 기준으로 근무시간 이전인 8시 30분까지는 온도가 하강하다가 그 이후부터 상승하였으며, 최소 온도는 1번 지점에서 7시 30분에 20.2℃로 나타났고, 최고 온도는 12시 33분에 25.4℃로 나타났다.
이와 같이 냉난방을 하지 않는 시기에도 온도 상승이 일어나는 것은 두 가지 원인이 있는데, 하나는 하절기 분석에서 나타난 것과 마찬가지로 일사에 의한 영향을 들 수 있고, 두 번째 원인으로는 실내에서 발생하는 내부 부하, 즉, 인체의 체온, 조명, 플러그 등에서 발생하는 열이 실내로 유입되기 때문이다.
더욱이, 중간기 휴일인 2013년 10월 19일의 경우 일사에 의한 온도 상승 패턴은 하절기와 유사하며, 다만 온도대가 하절기는 26℃ ~ 28℃인 반면, 중간기에는 22℃ ~ 24℃내외로 분포되었고, 따라서 냉난방을 하지 않는 중간기의 경우, 전체적으로 하절기에 비해 약 5℃ 이상 낮은 온도분포를 보이고 있으며, 온도가 떨어짐에 따라 상부와 하부의 온도 성층화 현상이 발생하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 동절기 온도 분석 결과는, 먼저, 주중인 2014년 1월 23일의 온도 분포는 근무시간 이전인 8시 30분까지는 온도가 하강하다가 난방이 시작되는 시점부터 온도가 상승하였으며, 가장 높은 온도는 최상부로 16시 55분이 26.8℃가 나타났고 이때의 최하층 온도는 16.9℃로 9.9℃의 온도차가 발생하였다.
여기서, 동일 시간대의 중간온도를 살펴보면, 지상에서 2m 높이의 온도는 26.4℃, 1.5m 높이의 온도는 24.4℃인 반면, 높이 1m는 19.8℃, 최하층은 16.9℃, 바닥의 온도는 14.3℃로 1.5m 이하에서 온도 편차가 심하게 나타나고, 특히, 커튼월 창호가 인접한 지점에서 난방을 하지 않는 점심시간에 온도가 급격히 내려가는 것을 알 수 있고, 이는, 재실자들이 앉아서 대부분의 시간을 보내는 연구실의 특성상 실내 온도가 적정 수준을 유지한다 하더라도 더 많은 추위를 느낄 수 있는 것을 의미한다.
또한, 동절기 휴일의 경우 온도가 지속적으로 하강하였으며, 다른 계절과 마찬가지로 일부 구간에서만 일사의 영향으로 온도가 상승하였다.
다음으로, IR(Infra-red) 카메라를 이용하여 동절기 단열평가를 수행한 결과에 대하여 설명하면, 적외선 열화상 카메라는 일반 비디오카메라의 작동 원리와 비슷하지만 카메라의 광학렌즈를 통과하여 모여진 에너지가 전기적 신호로 변환되며, 전기적 신호가 열화상 정보로 바뀌어 열화상으로 나타내게 된다.
또한, 온도차 측정방법(Temperature Difference Ratio ; TDR)은 건축물 내부에서 촬영하여 평가하는 TDRi와 외부에서 촬영하여 평가하는 TDRo로 나누어지고, 먼저, TDRi는, 건축물 실내 내표면 부위에 대한 결로 판정을 위한 방안으로 사용되는 것으로, 열평형 방정식에 근거하여 설명하기 위하여 1차원 정상상태(steady state)의 벽체를 가정하고 분석하며, 실내외 온도차에 대한 실내온도와 실내표면 온도의 차를 비율로 표시하여 단열상태가 우수할수록 실내표면온도는 실내온도와 가까워지므로 0에 수렴하게 되며, 단열상태가 나쁠수록 외기온도에 접근하게 되어 1에 수렴한다는 가정에 근거하고 있다.
반면, TDRo는 건축물 외표면 부위에 대한 단열성 평가를 위한 것으로, TDRi의 개념을 외표면에 적용시켜 도출되는 것이며, 단열상태가 우수할수록 실외표면온도는 외기온도와 가까워지므로 0에 수렴하게 되고, 단열상태가 나쁠수록 실내온도에 접근하게 되어 -1에 수렴한다는 가정에 근거하고 있다.
여기서, 본 발명의 실험에 적용된 TDR 기법은 건물의 외측에서 실험하는 TDRo 기법으로, 실내의 온도를 유지시킨 후 측정을 실시하는 방법이며, 실험에 필요한 TDRo에 의한 벽체의 내표면 결로 판정지표는 이하의 [수학식 1]과 같이 하여 계산될 수 있다.
[수학식 1]
여기서, 상기한 [수학식 1] 에 있어서, Ti는 실내 온도(℃), Tos는 외피의 외표면 온도(℃), To는 측정 당시 외기온도(℃)를 각각 나타낸다.
또한, 도 2를 참조하면, 도 2는 TDRi 산출을 위한 측정조건 및 TDRi에 의한 벽체의 내표면 성능 판정지표의 예를 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
계속해서, IR 카메라를 이용한 실험 진행방법에 대하여 설명하면, 본 발명자들은 지구환경연구동에서 동절기 온도제어가 이루어지지 않는 인벤토리연구실과 2층 대회의실의 단열성능 측정을 실시하였고, 이를 위해, 실내온도를 25℃로 제어한 상태에서 IR 카메라로 촬영하였으며, 이때, 외기 온도는 -1.4℃였고, 촬영부위는 일반적으로 열교현상에 취약한 커튼월의 프레임 부분, 천장과 벽체가 만나는 우각부, 침기가 발생하는 문의 틈새를 위주로 촬영하였으며, 현장에서 IR 카메라를 통해 단열성능이 떨어지는 부위를 상세하게 분석하였다.
상기한 바와 같이 하여 인벤토리연구실에서 단열성능이 취약한 창측면과 복도측면을 IR 카메라로 촬영한 사진을 분석한 결과, 창측면의 경우 커튼월 창호를 구조적으로 잡아주는 프레임의 열교현상이 발생하는 것으로 나타났고, 특히, 프레임과 건물구조를 잇는 부위에서는 구조적으로 단열재 시공의 어려움으로 인해 열교현상이 발생하는 것으로 나타났으며, 복도 측면의 경우, 인벤토리 연구실에는 건물의 서측 출구로 나가는 출입문의 침기를 방지하기 위해 방풍실이 설치되어 있는데 이 방풍실과 연구실을 나누는 내벽에 단열재가 누락되어 단열성능이 저하되는 것으로 나타났다.
다음으로, 천장 매립형 실내기(FCU)의 풍속측정 실험을 수행한 내용에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명자들은, 동절기 연구실의 온도제어 문제에 대한 평가를 위해 연구실이 위치해 있는 연구실의 FCU 풍속을 측정하였으며, 여기서, 정확한 측정을 위해서는 각 FCU에서 토출되는 풍량을 측정하는 것이 바람직하나, FCU 토출구의 모양이나 크기가 용량에 따라 다르고 바람이 나오는 구획을 설정하기 어려움을 감안하여, 본 실시예에서는 동일 조건으로 가정하여 풍속측정을 실시하였다.
더 상세하게는, 먼저, 각 실에 설치되어 있는 FCU 개수와 토출구 개수를 조사한 결과 연구실에 설치된 FCU는 총 16대였고, 한 대당 토출구 4부분에 대하여 풍속계와 FCU의 거리를 30cm 간격으로 설정하여 실내에 설치된 수동 조절기를 1단, 2단, 3단으로 나누어 각각 풍속을 측정하였다.
여기서, 이러한 풍속측정 결과는 개별 FCU의 풍량을 측정하는 객관적인 평가결과로는 보기 어려우나, 지구환경연구동에 설치된 각 FCU의 토출성능을 상대적으로 평가하는 지표가 될 수 있다.
상기한 바와 같이 하여 풍속 단계별 실험을 실시하고 그 결과를, 최고 풍속을 나타내는 FCU의 토출구를 100% 기준으로 각각의 풍속상태를 숫자로 나타내고, 각각의 구간별로, 예를 들면, 100 ~ 80%, 80 ~ 50%, 50% 이하의 세 부분으로 나누어 색깔을 다르게 나타내어 시뮬레이션 분석을 위한 기초자료로 활용될 수 있다.
계속해서, Fluent CFD(Computational fulid dynamic) 해석 프로그램을 이용하여 온도 성층화 기류해석을 위한 시뮬레이션 분석을 수행하는 내용에 대하여 설명한다.
즉, Fluent는 유체역학을 수치해석(CFD)으로 계산하기 위해 만들어진 프로그램으로서, 기본적으로 층류 및 난류, 압축성 및 비압축성, 열전달 및 화학반응이 있는 유동까지 해석할 수 있는 범용 해석 소프트웨어로 산업현장의 요구에 가장 발 빠르게 대응하고 있는 프로그램이며, 특히, 60 ~ 70% 이상을 차지하는 형상 모델링 및 격자생성에 있어서 다양한 기능을 제공하고 있어 쉽고 빠르게 전처리 작업을 수행할 수 있고, 비정렬(Non-Conformal) 인터페이스 처리기법이 내장되어 두 영역 사이의 인터페이스 면이 격자가 상이하더라도 해석을 수행할 수 있어 격자생성이 보다 용이한 장점이 있어 최근 많이 사용되고 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 적용된 시뮬레이션 모델링의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기한 해석 프로그램을 이용하여 분석을 수행하기 위한 시뮬레이션 모델링 구성은, 지구환경연구동의 현장 방문과 설계도서 및 건축시방서 등을 기반으로 실내 조건에 대한 해석 모델링 작업을 실시하여 실내는 높이 2.7 m, 가로 10.2m, 세로 10.4m로 구성하고, 해석을 위한 외피의 경계조건을 도 1의 표에 나타낸 바와 같이 입력하였으며, 이때, 수치해석에 사용된 천장 매립형 실내기는 냉방능력 3,000 kcal/h, 난방능력 2,900 kcal/h로, 유량은 12㎥/min의 취출구는 4-way 방식이었다.
여기서, 시뮬레이션을 이용한 동절기 온도 성층화 개선방안을 제시하기 위해서는 현재 상태의 시뮬레이션 기본 모델에 대한 타당성 분석이 필요하며, 이를 위해, 본 발명자들은, 기존 실험에서 수집된 자료와 실험결과를 기준으로 기본모델을 구성하였고, 동절기 온도 성층화가 분명하게 발생하는 2014년 1월 23일 16시 55분에서의 정상상태 해석을 수행하였다.
즉, 도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4 및 도 5는 도 3에 나타낸 기본 모델에 대한 시뮬레이션 해석과 실측온도 비교결과를 나타낸 것으로, 평면도를 기준으로 높이에 따른 실측실험 결과와 시뮬레이션 해석 결과를 각각 비교하여 나타내고 있다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 실측 온도분포와 시뮬레이션 온도분포를 비교해본 결과, 시뮬레이션과 정상상태에서의 온도분포는 시뮬레이션 결과가 3.16℃ 높게 나타났으며, 이는, 기존 실험 결과의 경우 실제 인벤토리 연구실의 상태를 실측한 것으로서 가구, 침기, 환기, 조명 등이 반영된 실측데이터이고 시뮬레이션 결과는 침기, 환기 등에 대한 열손실 부하가 최소가 되는 상태에서 정상상태 해석을 수행한 결과이므로, 시뮬레이션 모델링 상태가 실증 상태에 비해 손실부하가 적기 때문에 전체적인 온도가 높게 나타나는 것으로 판단되며, 이러한 오차를 최소화하기 위해서는 추가 실험을 통한 상세한 입력 자료가 요구되나 시뮬레이션의 상대적인 결과 온도분포와 각 높이에 대한 온도차는 비슷하게 나타났으므로, 본 실시예에서는 도 3에 나타낸 시뮬레이션 모델링을 동절기 성층화 개선을 위한 기초 모델링으로 선정하였다.
계속해서 상기한 바와 같은 시뮬레이션 분석을 이용한 동절기 온도 성층화 개선안 제시방안에 대하여 설명한다.
먼저, 동절기 온도 성층화의 원인과 해결방안에 대한 기존의 연구동향을 살펴보면, 동절기 온도 성층화 원인을, 크게 나누어, 1) 동절기 난방시 외벽 및 지붕의 유리면에서 발생되는 결로 및 콜드브리지(Cold Bridge) 현상, 2) 동절기 난방시 외벽 및 지붕의 유리면을 통한 열손실, 3) 유리면에서 발생되는 콜드 드래프트(Cold Draft) 현상의 세 가지로 정리하고 있다.
여기서, 지구환경연구동의 외벽 열관류율은 0.22W/㎡℃이고, 외벽에 면한 커튼월 창호의 열관류율은 1.66W/㎡℃으로 일반 건물과 같이 창호의 열관류율이 상대적으로 높게 설계되었으며, 이에, 본 발명자들은, 첫 번째 방안으로 유리면 하부에 컨벡터를 설치하여 유리면에서 발생하는 콜드 드래프트(Cold Draft)를 최소화 하는 방법을 제시하였고, 또한, 분석과정에서 복사열만을 사용하는 컨벡터만으로는 동절기 온도 성층화를 개선하는데 한계가 있으므로, 강제대류를 컨벡터에 추가하는 두 번째 방안에 대한 분석을 실시하였다.
더 상세하게는, 먼저, 컨벡터 추가 방안에 대하여 설명하면, 이는, 성층화를 유발하는 것으로 예상되는 열취약부위(외기에 직접 면한 창호부위)에 컨벡터를 설치하는 것으로, 본 실시예에서는 시중에 판매하는 너비 1.5m의 컨벡터 1,000W 3개를 인벤토리 연구실의 남측면 10.4m에 걸쳐 균등하게 설치하는 방안을 제시하고 검증을 수행하였다.
또한, 도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터와 강제대류를 위한 순환팬을 추가로 설치하는 방안을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 분석과정에서 단순히 컨벡터를 설치하는 것만으로는 만족스러운 성층화 개선이 이루어지지 않는 것으로 판단되어 성층화를 유발하는 것으로 예상되는 열취약부위(외기에 직접 면한 창호부위)에 컨벡터와 강제대류를 위한 순환팬을 추가로 설치하여 공기순환을 유도하는 방안을 제안하고 검증을 수행하였다.
여기서, 상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 공기순환을 유도하여 온도 성층화를 개선하기 위해 강제대류를 위한 순환팬이 설치된 컨벡터의 보다 구체적인 구성에 대하여는 후술한다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 제시된 각 모델에 대하여 기류해석 시뮬레이션 해석을 통해 검증을 수행한 결과에 대하여 설명한다.
먼저, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 도 3에 나타낸 기본모델에 대한 동절기 온도 성층화 현상 분석결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 7 내지 도 9를 참조하면, 도 7은 도 3에 나타낸 기본모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과를 각각 나타내는 도면으로, 도 7은 온도분포를 나타내고, 도 8은 기류분포를 나타내며, 도 9는 도 3에 나타낸 기본모델의 기류 유속분포(도 9a) 및 기류 유적선(도 9b)을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 도 3에 제시된 기본모델에 대한 온도 성층화 현상을 X, Y, Z 축으로 각각 나누어 분석한 결과, 도 7에 나타낸 분석결과로부터 창호 부근의 온도가 상대적으로 떨어지는 것을 볼 수 있으며, 이는 창호의 열관류율이 상대적으로 낮기 때문에 나타나는 현상으로, 인벤토리 연구실 역시 유리면에서 발생되는 콜드 드래프트(Cold Draft) 현상이 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 바닥면의 온도가 상대적으로 낮은 이유는 인벤토리 연구실의 경우 바닥면의 외부가 외기에 노출되는 필로티 구조로 외기에 의한 바닥열 손실이 크기 때문에 발생하는 현상으로 사료되며, 천장 매립형 실내기의 위치에 따라 각 구획의 온도구배가 변화하는 것을 볼 수 있다.
아울러, 도 8은 도 3에 나타낸 기본모델의 기류 분석을 나타낸 도면으로, 온도분석에서 열적 취약부로 나타났던 유리면에서 기류가 급강하하는 것을 볼 수 있으며, 이에 따라 바닥면에서 기류가 정체하는 현상을 볼 수 있다.
더욱이, 도 9는 도 3에 나타낸 기본모델의 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 것으로, 기류 유속분포를 살펴보면 바닥면에서 낮은 온도의 기류가 정체하는 것을 볼 수 있으며, 천장 매립형 실내기의 유동에 의해서만 기류가 발생하는 것으로 나타났다.
다음으로, 도 10 내지 도 12를 참조하여, 컨벡터 설치에 따른 온도 성층화 분석결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 10 내지 도 12를 참조하면, 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 컨벡터를 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 온도분포를 나타내는 도면이고, 도 11은 기류분포를 나타내는 도면이며, 도 12는 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
더 상세하게는, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 기본모델에 대한 해석결과를 바탕으로 유리면에서 발생하는 콜드 드래프트(Cold Draft) 현상을 완화하기 위해 기본모델을 대상으로 유리면이 외부에 노출되어 있는 커튼월 유리 하단부에 컨벡터를 설치하여 시뮬레이션 분석을 실시하였으며, 그 결과, 도 9의 X축 온도 분포에서 나타나는 바와 같이, 컨벡터 설치의 영향으로 유리면 하단부에서는 온도 하강 현상이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
여기서, 컨벡터의 복사열기가 상승하면서 일부 유리면에서 발생하는 콜드 드래프트(Cold Draft) 현상을 막아주기는 하지만 컨벡터 용량이 작아 전체적인 유리면의 열 손실을 완화하지는 못하고 있으며, 이러한 현상 때문에 일부 구간에서는 중간부 이상에서 낮은 온도가 퍼지는 현상이 발생하기도 한다.
이를 위해, 더 큰 용량의 컨벡터를 설치하면 유리면 전체에서 발생하는 온도 하강 현상은 개선될 것으로 예측되나, 이 경우 에너지 소비량이 증가하는 단점이 있고, 이에, 본 실시예에서는, 높이 1.5m 이하에서의 온도 성층화를 개선하는 것과 이를 통해 에너지 소비량을 절감하는 것을 궁극적인 목적으로 하여, 본 실시예에서 제시하는 1,000W×3대의 용량까지가 유리면 하단부에서 발생하는 온도손실 현상 개선에 도움이 되는 최소용량으로 판단된다.
또한, 도 11을 참조하면, 도 11은 컨벡터 설치에 따른 기류분석 결과를 나타낸 것으로, 컨벡터 설치에 따라 일부 유리면에서 발생하는 콜드 드래프트(Cold Draft)는 완화되는 것으로 판단되나, 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 바닥부 전체에서 발생하는 낮은 온도의 기류 정체현상은 아직도 완화되지 않는 것으로 나타났다.
이는, 바닥의 온도 열손실을 최소화하는 것으로 해결 가능할 것으로 사료되나, 바닥의 열손실을 최소화하기 위해서는 바닥면 외부의 단열을 보강하는 건축, 설비를 아우르는 건물의 전체적인 개보수가 이루어져야 하므로, 본 발명자들은, 보다 현실적인 대안으로서, 강제기류(순환팬)를 발생시켜 바닥면의 기류 정체현상을 해소하는 방안을 추가적으로 제시하였다.
다음으로, 도 13 내지 도 15를 참조하여, 컨벡터와 순환팬 설치에 따른 온도 성층화 분석결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 13 내지 도 15를 참조하면, 도 13은 도 6에 나타낸 컨벡터와 순환팬을 설치한 모델에 대한 시뮬레이션 해석 결과로서 온도분포를 나타내는 도면이고, 도 14는 기류분포를 나타내는 도면이며, 도 15는 기류 유속분포 및 기류 유적선을 3차원으로 각각 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 도 13 내지 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과에서 도출된 개선방안으로 유리면에서 발생하는 콜드 드래프트(Cold Draft) 현상 완화와 하부의 낮은 온도의 기류 정체를 해결하기 위해 컨벡터에 순환팬을 추가적으로 설치한 모델을 시뮬레이션 분석한 결과로, 전체적인 온도 분포가 균일하게 나타나는 것을 알 수 있다.
특히, 순환팬 설치로 인해 하층부의 유동 정체현상이 깨지는 것을 볼 수 있으며, 천장 매립형 실내기 주변을 제외한 전체적인 온도 구배가 완만해지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 시뮬레이션 해석 결과 컨벡터와 순환팬의 조합으로 온도 성층화 현상이 개선되는 것을 알 수 있으며, 인벤토리 연구실의 경우 간단한 설비구조 개선을 통해 동절기 온도 성층화 개선에 많은 영향이 있을 것으로 사료된다.
또한, 도 16을 참조하면, 도 16은 상기한 모든 케이스에 대한 분석결과를 종합하여 나타낸 도면으로, 도 16a는 기본모델의 높이별 온도분포, 도 16b는 컨벡터 설치에 따른 높이별 온도분포, 도 16c는 컨벡터와 팬의 설치에 따른 높이별 온도분포, 도 16d는 각 케이스에 대한 높이별 온도분포를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 16에 나타낸 바와 같이, 기본 모델에서 온도 성층화가 가장 많이 발생하는 것을 볼 수 있으며, 컨벡터와 팬을 설치하는 경우(Convector + Fan) 온도 성층화가 개선되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 평균온도는 기본모델이 19.7℃, 컨벡터 설치시 24.2℃, 컨벡터 + 팬 설치시 25.2℃로 설비가 추가적으로 설치됨에 따라 평균온도가 상승하고 있으며, 이에 따른 실내 온열환경에도 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법의 효과 및 타당성을 검증하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 분석결과에 대하여 실증실험을 수행한 결과에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 시뮬레이션 분석 결과를 토대로 대안별 실증분석을 위해, 1) 높이별 지점에 대한 온도센서 설치, 2) 대안별 추가 실험이 가능한 추가 설비 설치, 3) 대안별 실내의 PMV 측정, 4) 대류 순환팬의 유속 측정, 5) 대안별 추가 설비에 대한 전력 측정, 6) 열화상 카메라를 이용한 온도 측정을 통하여 검증실험을 실시하였다.
더 상세하게는, 먼저, 도 17을 참조하면, 도 17은 높이별 온도측정 실험을 위한 온도센서 설치위치 및 설치 조건을 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명자들은, 시뮬레이션 결과에 대한 대안별 실증 결과를 얻기 위해 기존 실험과 동일한 방법으로 온도센서를 설치하였으며, 여기에 컨벡터의 출구온도, 외벽의 벽면온도, FCU의 출구온도, 순환팬의 출구온도를 측정하기 위한 온도센서를 추가로 설치하였으며, 데이터 로거 장비로는 요코가와사의 LX 100모델을 사용하였다.
또한, 상기한 시뮬레이션 분석내용에서는 1,000W 컨벡터 3대와 50mm 순환팬 9대를 설치하는 것으로 분석하였으나, 본 실험에서는 500W 컨버터 6대를 설치하는 것으로 대체하였고, 또한, 세로 60mm 팬과 120mm 팬을 컨벡터에 설치하여 크기별 실험이 가능하도록 하였으며, 팬의 지지대에 각도조절이 가능한 회전핀을 추가하여 각도에 따른 대안별 실험이 가능하도록 설계하였고, 별도의 컨트롤박스를 통하여 모든 대안에 대한 운영이 가능하도록 하였다.
여기서, 해석결과를 실험할 수 있는 장비가 시중에 시판되지 않으므로, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이 하여 기존의 컨벡터와 순환팬이 결합된 새로운 형태의 컨백터를 구성하였다.
아울러, 실험 및 운영방법에 대하여 설명하면, 대안별 온도 성층화에 대한 실증실험을 위해, 본 발명자들은, 도 17에 나타낸 바와 같이 하여 온도센서를 설치하고, 2015년 3월 6일부터 2015년 3월 17일까지 각 날짜마다 대안을 설정하여 실험을 수행하였다.
즉, 도 18을 참조하면, 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 검증실험의 수행 내용을 각 케이스별로 표로 정리하여 나타낸 도면으로, 장비의 운영, 책상배치 등을 고려하여 도 17에 제시된 케이스별로 나누어 실험을 실시하였다.
계속해서, 도 19 내지 도 26을 참조하여, 높이별 온도분포 분석결과에 대하여 설명한다.
먼저, 도 19를 참조하면, 도 19는 도 18에 나타낸 케이스 1(Case1)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 19에 나타낸 기본운영(Case1)에 따른 온도분석 결과는 책상배치가 절반만 들어간 상태에서 일일 분별 온도분포를 나타낸 것으로, 도 19에 나타낸 바와 같이, 14시 ~ 15시 사이의 5개 지점 온도는 250cm 높이에서 30.45℃ ~ 27.39℃ 온도 분포를 보이고 있으며, 바닥에서 50cm 높이에서는 27.6℃ ~ 24.7℃로 250cm 높이의 최대온도와 50cm 높이의 평균온도차는 2.8℃로 나타났다.
이는, 기존 실험결과에서 나타난 최대 최소차 평균에 비해 낮은 것으로, 외기온 분포 그래프에서 볼 수 있듯이 추가 실험을 실시하는 기간의 외기온이 선행 실험 상태보다 높아 실내외 온도차가 작기 때문인 것으로 분석되었으며, 외기에 면한 외벽과 창호의 온도를 비교한 결과 난방 가동시간에는 창에 투과되는 일사의 영향으로 외벽에 비해 높게 분포되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 20을 참조하면, 도 20은 도 18에 나타낸 케이스 2(Case2)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 20에 나타낸 Case2에 따른 온도분석 결과는, 책상 및 가구가 절반만 들어간 상태에서 기본 + 컨벡터로 운영된 상태의 일일 분별 온도 분포를 나타낸 것으로, 도 20에 나타낸 바와 같이, 14시 ~ 15시 사이의 5개 지점 온도는 250cm 높이에서 28.9℃ ~ 25.1℃ 온도분포를 보이고 있으며, 바닥에서 50cm 높이에서는 25.6℃ ~ 24.6℃로 나타났으며, 평균온도차는 2.7℃로 기본 운영에 비해 약간 개선된 것으로 나타났지만 그 효과는 미미한 것으로 분석되었다.
이는, 지점별 온도분포에 나타난 바와 같이 컨벡터가 설치된 지점 4와 지점 5의 온도 성층화는 일부 개선되었으나, 컨벡터와 거리가 있는 나머지 지점에는 큰 영향을 주지 못하기 때문에 평균온도차에 많은 영향을 주지 못한 것으로 해석된다.
아울러, 도 21을 참조하면, 도 2은 도 18에 나타낸 케이스 3(Case3)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 21에 나타낸 Case3에 따른 온도분석 결과는 책상 및 가구가 절반만 들어간 상태에서 기본 + 컨벡터 + 순환팬을 90도로 조정하여 운영한 것으로, 평균온도차가 2.0℃로 개선되고, 지점별 온도분포는 대부분의 위치별 온도에 많은 영향을 주지 않는 것으로 분석되었다.
더욱이, 도 22를 참조하면, 도 22는 도 18에 나타낸 케이스4(Case4)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 22에 나타낸 Case4에 따른 온도분석 결과는, 책상 및 가구가 절반만 들어간 상태에서 기본 + 컨벡터 + 순환팬을 120도로 조정하여 운영한 것으로, 평균온도차는 2.45℃로 Case3에 비해 평균온도차가 높아진 것을 알 수 있다.
이는, 순환팬이 상부측으로 노출되어 상대적으로 온도가 낮은 하부측은 공기를 순환시키지 못하기 때문에 나타나는 현상으로 볼 수 있으며, 결론적으로 순환팬의 역할은 상부와 하부 부분의 공기순환에 얼마나 도움이 되느냐에 따라 실내의 온도 성층화를 개선할 수 있는 것으로 해석된다.
다음으로, Case 5 ~ 8은 동일한 운영조건에서 실내 가구의 유무가 성층화에 얼마나 영향을 주는지에 대한 실험을 위한 것으로, 시스템 운영은 이전 케이스와 동일 조건으로 실험을 실시하였다.
즉, 도 23을 참조하면, 도 23은 도 18에 나타낸 케이스 5(Case5)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 23에 나타낸 Case5에 따른 온도분석 결과는 책상이 배치된 상태에서 기본운영에 따른 온도분포를 나타낸 것으로, 평균온도차는 3.3℃로 책상이 없는 상태의 온도차 2.7℃에 비해 약간 높게 나타났다.
이는, 책상과 가구가 배치됨에 따라 실내 공기순환을 저해시키는 원인으로 작용한 것으로 해석되며, 도 23의 지점별 온도분포에서 볼 수 있듯이 기류가 정체되는 지점 5의 온도차가 상대적으로 많이 발생하는 것으로 나타났다.
또한, 도 24를 참조하면, 도 24는 도 18에 나타낸 케이스 6(Case6)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 24에 나타낸 Case5에 따른 온도분석 결과는 책상이 배치된 상태에서 기본 + 컨벡터 운영에 따른 온도분포를 나타낸 것으로, 평균 온도차는 3.6℃로 컨벡터 운영을 하지 않은 상태보다 더 높게 나타났다.
이는, 가구배치에 따른 결과로 강제기류가 발생하지 않은 상태에서는 가구배치 현황에 따라 온도 성층화가 많은 영향을 주는 것을 의미한다.
아울러, 도 25를 참조하면, 도 25는 도 18에 나타낸 케이스 7(Case7)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 25에 나타낸 Case7에 따른 온도분석 결과는, 책상이 배치된 상태에서 기본 + 컨벡터 운영 + 순환팬 각도를 90도로 운영하였을 때에 따른 온도분포를 나타낸 것으로, 평균 온도차는 2.4℃로 컨벡터만 운영된 상태보다 온도 성층화가 많이 개선된 것을 확인할 수 있다.
이는, 가구의 유무를 떠나 강제기류를 발생하는 경우 상층부의 공기와 하층부의 공기순환에 도움이 되므로, 온도 성층화 개선을 위해서는 강제기류가 반드시 필요하다는 것으로 해석할 수 있다.
더욱이, 도 26을 참조하면, 도 26은 도 18에 나타낸 케이스 8(Case8)에 대한 온도분포 분석결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 26에 나타낸 Case8에 따른 온도분석 결과는, 책상이 배치된 상태에서 기본 + 컨벡터 운영 + 순환팬 각도를 135도로 운영하였을 때에 따른 온도분포를 나타낸 것으로, 평균온도차는 2.5℃로 순환팬이 90도로 운영된 상태보다 온도 성층화 개선에 미미한 차이를 보이는 것으로 나타났다.
이는, 상기한 바와 같이 순환팬의 역할이 상부와 하부 부분의 공기순환에 얼마나 도움이 되느냐에 따라 실내의 온도 성층화를 개선할 수 있음을 의미하는 것으로, 가구의 유무를 떠나 토출구의 각도와 위치가 온도 성층화 개선에 중요한 변수가 될 수 있음을 나타내는 것이다.
계속해서, 도 27을 참조하면, 도 27은 도 18에 나타낸 각 케이스의 최대-최소 온도편차를 평균으로 나타내어 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
더 상세하게는, 도 27에 나타낸 바와 같이, 14시 ~ 16시까지의 각 케이스별 최대-최소 온도편차를 평균으로 나타내어 케이스별 온도변화 영향을 비교 분석한 결과, 가구배치가 없는 Case 1 ~ 4와 가구가 배치된 Case 5 ~ 8의 경우를 비교하면 가구가 배치된 상태에서 온도 성층화가 더 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 특히, 가구가 배치된 상태에서 컨벡터만 운영하는 경우 온도 성층화가 더 심하게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이는, 온도 성층화 개선을 위한 실내 공기순환에 가구배치가 영향을 주는 것으로 해석되며, 각 실의 특성에 따라 가구밀도가 높아지는 경우 온도 성층화가 심화될 수 있는 것으로 생각되며, 강제기류를 발생하는 순환팬의 토출구 각도에 따라서도 성층화에 영향을 주는 것으로 분석되었고, 최종적으로, 가구배치의 유무를 떠나 기본운영 + 컨벡터 + 순환팬을 90도로 운영한 결과가 온도 성층화 개선에 가장 큰 효과가 있는 것으로 분석되었다.
계속해서, PMV(Predicted Mean Vote)을 이용한 측정실험에 대하여 설명한다
일반적으로, 예상온열감(Predicted Mean Vote; PMV)은 인간과 주위 환경의 6가지 열환경 요소들(기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 대사량, 착의량)을 측정하여 인체의 열평형에 기초한 쾌적방정식으로서, 실내 열환경의 온열감 및 쾌적성과 관련하여 현재 가장 많이 사용되고 있다.
이러한 예상온열감은 춥다(Cold), 서늘하다(Cool), 약간 서늘하다(Slightly Cool), 덥지도 춥지도 않다(Neutral), 약간 따듯하다(Slightly Warm), 따듯하다(Warm), 덥다(Hot)의 온열감 7단계를 -3은에서 +3까지의 지표로 나타내며, 일반적으로 재실자가 쾌적하다고 느끼는 예상온열감은 -0.5 ∼ +0.5의 범위이고, 이는 예상 불만족율(Predicted Percent Dissatisfaction ; PPD) 10% 이하와 같으며, PMV 측정을 위해 사용되는 장비는 AM-101로, 측정에 필요한 Clo, Met를 입력하면 주변 환경수준에 따른 PMV가 측정된다.
또한, 본 발명자들은, 실내 온열 쾌적도를 측정하기 위해 케이스별 실험이 이루어지는 시기에 오전과 오후로 나누어 측정을 실시한 결과를 최소 -0.76에서 최대 1.29로 측정되어 높이별 온열 쾌적도 변화가 심한 것으로 나타났다.
아울러, 가구가 배치된 상태의 케이스별 PMV 결과에 대한 최대-최소값의 차이는, 상기한 온도차 결과와 같이 기본운영 + 컨벡터만으로 운영된 Case5의 최대-최소의 차이값이 가장 큰 1.33으로 나타났으며, 컨벡터와 순환팬을 동시에 운영한 결과 차이가 가장 작은 0.68로 나타났다.
이와 같은 실험 결과는 본 발명에서 실내의 온도 성층화 개선을 위해 제시한 운영방식이 상부측 온도와 하부측 온도 차이를 줄여줄 뿐만 아니라, 이러한 결과로 인해 온열 쾌적감 또한 개선될 수 있음을 나타내고 있다.
다음으로, 에너지플러스(Energy Plus) 시뮬레이션 프로그램을 이용한 건물에너지 시뮬레이션 분석에 대하여 설명한다.
즉, 에너지 플러스(Energy Plus) 시뮬레이션 프로그램은 BLAST와 DOE-2 프로그램에 기반한 에너지 및 부하 시뮬레이션 도구로서 1970년대 말과 1980년대 초반에 개발되어 배포되고 있으며, 적절한 HVAC의 용량을 결정하고 LCC 해석(life cycling cost analysis)을 통한 레트로핏(retrofit) 연구들을 발전시키기 위해 개발되어, 정확성이 상당한 수준으로 상세한 결과값을 도출할 수 있을 뿐만 아니라, 실내 부하, 시스템 부하, 플랜트의 설비수준 등을 상세하게 해석하여 설계 초기단계에서부터 준공에 이르기까지 모든 과정에서 활용이 가능하며, 프로그램의 구성이 모듈화 되어 있어 최신 신재생에너지 기술과 에너지 절약 기술에 대한 적용과 평가가 가능한 장점이 있다.
이에, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 에너지플러스(Energy Plus) 시뮬레이션 프로그램을 이용한 건물에너지 분석을 위해, 지구환경연구동의 현장 방문과 설계도서 및 건축시방서 등을 기반으로 각 실별 공조조건이 동일한 실과 제실의 밀도 및 사용 스케줄이 다른 실을 중심으로 조닝을 실시하여 시뮬레이션 모델링을 구현하였으며, 이때, 공조실이 존재하지 않는 지하층 및 옥상층, 실외의 사용빈도가 적은 실 중 비공조실은 시뮬레이션 해석모델 정의시 에너지사용량 산정에 큰 영향을 주지 않으므로 모델링에서 제외하였다.
더 상세하게는, 외피 물성치 분석결과 지구환경연구동의 외피는 0.201W/㎡k로 나타나 건물이 준공된 시점인 2011년 중부지방의 법적 기준치인 0.36W/㎡k 이하보다 더 강화된 열관류율을 나타내었다.
또한, 최근, 시공기술의 발전으로 건물의 시공시 기존의 습식 공법에서 건식 조립공법으로 변화하고 있으나, 건식 조립공법은 공기를 단축시킬 수 있고 RC 구조에 비해 경량으로 자중을 감소시킬 수 있는 장점이 있는 반면, 창호와 벽체를 구성하는 강재나 알루미늄 프레임의 금속성 부재가 슬래브나 기둥에 연결되는 구조적 특성에 따라 열교부위가 과도하게 발생하게 되며, 이에 따른 결로현상뿐 아니라 외피의 전반적인 단열성능을 저하시키는 등의 열적 취약점이 있다.
아울러, 형상이 복잡하고 열교의 영향이 큰 벽체를 1차원 건물해석 프로그램에 대응시키기 위해서는 커튼월 벽체와 같은 열성능을 단일 벽체로 치환하여 적용하여야 하며, 미국 공조학회인 ASHRAE에서는 벽체의 열저항을 면적비에 가중치로 계산하는 방법이 제안되고 있는데, 이러한 현상을 규명하기 위해 본 발명에서는 Physibel Trisco v.12.0W를 이용하여 열교부위를 포함한 커튼 벽체 부분에 대한 상당열관류율을 계산하여 시뮬레이션에 적용하였으며, 이러한 상당열관류율 프로그램을 이용한 분석결과, 남측벽의 경우에 설계제안에 비해 42.1% 이상 열관류율이 증가하는 것이 확인되었다.
더욱이, 기기 및 조명, 재실자의 재실밀도는 단위 실면적을 에너지사용량으로 나누어 계산하며, 각 요소별 밀도에 따른 에너지사용량은 스케줄 입력방법에 따라 다르게 나타나므로, 스케줄 입력시 세심한 주의가 필요하다.
즉, 건물에너지 시뮬레이션시 각종 기기 및 조명, 재실자의 시간별 밀도를 백분율로 나타내어 입력하게 되며, 스케줄을 입력하는 방법은 해석도구에 따라 다르나 보통 월단위 또는 일단위로 기간을 설정한 후 요일별 시간에 따른 밀도를 백분율로 표시하여 나타낸다.
여기서, 유의해야 할 점은, 입력대상의 밀도가 연중 동일할 수 없고, 일별은 물론 시간별로도 차이가 있다는 점으로, 따라서 운영 스케줄을 입력하기 위한 일반화 작업이 필요하며, 밀도 산정시 고려된 각 요소들의 사용시간을 전체 밀도에 대한 스케줄 산정시 반영하여야 한다.
예를 들면, 탕비실의 기기밀도는 70.8W/㎡로 연구실 20.4W/㎡ 보다 3배 가까이 크나 실제 에너지소비량은 연구실이 화장실보다 크며, 그 이유는 연구실의 기기밀도 산정시 반영된 기기는 컴퓨터, 냉장고, 정수기 등 재실자들이 재실하는 동안 항시 사용되는 기기인 반면, 화장실의 경우는 정격전력량이 큰 손건조기, 전열기 등이 반영되었으나 이들은 사용시간이 간헐적인 기기들로 전체적인 에너지사용량은 적기 때문이다.
따라서 재실밀도에 대한 스케줄 입력시 백분율에 따라 에너지 사용량이 크게 달라질 수 있으므로 주의가 필요하다.
또한, 업무용 시설의의 경우 재실자의 재실시간이 각 요소별 에너지 사용밀도의 스케줄 시간을 결정하게 되며, 즉, 예를 들면, 각 실의 냉난방은 재실자가 재실했을 경우에만 작동하므로 결국 재실자의 재실기간이 하루 중 냉난방기기가 가동되는 시간이 된다.
여기서, 지구환경연구동은 에너지 자립율 평가를 위해 각 실과 전력 사용기기에 따라 모니터링 시스템이 설치되어 있으며, 본 발명자들은, 이를 이용하여 지구환경구동의 실측된 사용량에 대한 분석내용을 기반으로 사용스케줄을 상세하게 입력하였고, 시뮬레이션 결과 또한 사용량과 비교하여 타당성 평가에 정확도를 높이도록 하였다.
아울러, 침기 및 환기에 대하여는, 일반적으로 침기는 실외공기와의 의도하지 않은 교환을 의미하며, 주로 문틈이나 창문 틈 사이에서 발생하고, 반면, 환기는 실내공기질의 개선을 목적으로 창문을 열거나 기계를 통해 실외공기를 실내로 도입하는 것을 의미하며, 기계 환기의 경우 설정된 외기도입량에 따라 환기량을 산정할 수 있고, 침기량의 경우 블로우도어 테스트를 통해 50Pa일 때의 침기량을 기준으로 LBL 침기모델을 적용하였다.
여기서, LBL 침기모델은 50Pa 상태의 ACH50에 교정상수 20을 나눈 수치로서 건물의 평균 침기 횟수가 되며, 본 발명자들은, 지구환경연구동의 정확한 침기량을 산정하기 위해 상기한 바와 같은 블로우도어 테스트 실시하여 실제 침기량을 측정하였고, 측정대상은 현재 사용되고 있는 지구환경연구동 내부를 대상으로 50Pa일 경우의 침기량을 측정하여 평균 침기량을 산정하였으며, 블로어도어 침기량 측정결과 ACH50은 6.73으로 나타났고, 따라서 평균 침기 횟수는 0.33이 된다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 수행된 시뮬레이션의 타당성을 분석한 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명자들은, 전체전력을 측정하는 전력량계와 건물의 실별, 사용기별로 설치되어진 전력량 총합에서 나오는 차이를 분석하여 전력량 측정시 미확인으로 분류되는 사용량에 대한 원인을 분석하였으며, 그 결과, 미확인 전력량이 발생하는 원인으로는 전력부하 설계 기준으로 설치된 300kW급의 전력량계의 오차 범위 5% 내외, 즉, 15kWh 이하의 사용량에서 오차가 발생하는 것과, 모니터링 실의 전력 사용량을 측정하는 전력계가 미설치되어 있기 때문인 것으로 판단하여, 이를 개선하기 위해 전체 전력량계의 오차범위를 측정할 수 있는 50kWh 급의 전력량계와 모니터링실의 전력량계를 추가하고, 추가된 전력량계를 이용한 보정을 통해 보다 정확한 전력량측정이 이루어지도록 하였다.
이와 같이 전력량계의 보정을 통한 에너지 사용량을 추산한 결과, 기존 데이터에 비해 전력사용량과 모니터링 사용량이 증가한 반면, 미확인 사용량은 감소하였고, 전력량계 보정에서 확인되는 미확인량은 전력량계 오차, 전선손실 그리고 380V 에서 220V 로 감압될 때 발생하는 역률에 의한 것으로 판단되며, 상기한 바와 같이 하여 시뮬레이션 분석을 위한 최종 보정값은 기존 106,257.7kWh에서 97,410.3kWh로 약 8.32 % 감소한 것으로 나타났다.
또한, 본 발명자들은, 온도 성층화 개선이 난방에너지에 미치는 효과를 분석하기 위한 선행과정으로 실측데이터와 시뮬레이션 기본 모델에 대한 타당성 평가를 실시하였으며, 이를 위해, 우선 기상청에서 제공하는 인천지방의 2012년 데이터를 확보하여 시뮬레이션 프로그램에 활용할 수 있는 데이터 포맷으로 변환하고 분석 자료로 활용하였으며, 타당성 평가 과정은 본 발명에서 수집된 시뮬레이션 입력데이터를 기반으로 기본모델을 작성하였고, 기본모델 분석을 통해 나온 결과와 지구환경연구동의 모니터링 결과를 비교하여 시뮬레이션 입력변수를 수정하였으며, 지속적인 피드백을 과정을 통해 최종 기본모델을 구성하였다.
상기한 바와 같이 하여 2012년을 기준으로 시뮬레이션 타당성 검토를 실시한 결과, 연간 에너지 사용량에 대한 오차율은 시뮬레이션 검토 인정범위 10% 이하인 6.5 %로 나타나 에너지 해석을 위한 기본 모델로 수용해도 무방할 것으로 판단되었다.
여기서, 타당성 평가를 통한 기본모델의 분석결과는 특정 연도인 2012년을 기준으로 하므로 본 발명에서 제시되는 에너지 절감효과에 대한 평가가 일반적으로 적용되는 효과로 보기에는 그 한계가 있으므로, 이에, 본 발명자들은, 타당성 평가가 실시된 기본모델의 기상데이터를 한국태양에너지학회에서 제공하는 30년 표준기상데이터로 변환하여 시뮬레이션 분석을 실시하였다.
즉, 2012년 기상데이터로 분석된 기본모델과 표준기상데이터로 분석된 시뮬레이션 결과를 비교분석한 결과, 월별 사용량은 최대 10%의 차이가 발생하는 것으로 나타났으나 전체 에너지 사용량은 1% 미만인 것으로 분석되어 본 발명의 주요 분석대상이 되는 난방에너지 사용량의 차이는 크지 않은 것으로 나타났으며, 이와 같이 타당성 평가로 구성된 기본모델에 표준기상데이터를 입력하여 분석된 결과를 본 발명의 에너지 절감 평가에 대한 기본 자료로 활용하였다.
또한, 건물에서 사용하는 에너지는 냉난방에 영향을 미치는 요소별 인자와 그렇지 않은 인자로 나눌 수 있으며, 본 발명에서는 난방에너지 사용량에 영향을 미치는 요소가 중요 분석대상이 되므로, 시뮬레이션에서 출력된 결과를 냉난방 운영 조건에 따라 에너지사용량이 변하거나 요소별 변화에 따라 냉난방 부하에 영향을 미치는 요소를 분리하여 분석을 실시하였다.
분석 결과, 에너지 사용량은 78,062kWh로 총 에너지 사용량의 79.3%가 냉난방에 영향을 주거나 냉난방으로 사용되는 에너지인 것으로 분석되었으며, 그 중에서 전열, 냉난방 에너지, 순환펌프, 조명, 화장실 방열기 등은 운영조건이나 사용량에 따라 냉난방에너지에 영향을 주는 요소이고, 지하실 환기, 엘리베이터 사용량, 외부 가로등 같은 요소는 그 사용량이 증가하거나 운영이 변하여도 냉난방 에너지에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
계속해서, 본 발명자들은, 실내 온열환경을 개선하고 에너지 사용량을 절감하는 방안에 대한 분석을 위해 단계별 분석 시나리오를 설정하였으며, 여기서, 시나리오는 총 3가지로 설정하였고, 설정된 시나리오별로 실내온도 설정을 20 ~ 24℃로 1℃씩 편차를 두어 시뮬레이션을 진행하였으며, 각 시나리오별 내용을 정리하면 다음과 같다.
- SC1 : 난방기 실내온도 설정 24 ℃/23 ℃/22 ℃/21 ℃/20 ℃ 표준모델의 시스템
- SC2 : 난방기 실내온도 설정 SC1과 동일조건 + Convector (난방 스케줄에 따라 가동)
- SC3 : 난방기 실내온도 설정 SC1과 동일조건 + Convector (실내온도 고려)
더 상세하게는, SC1은 본 발명에서 제시된 표준모델로 온도편차별 에너지사용량이 변화하는지와 이와 연계된 PMV 온열환경 조건에 대한 변화를 검토하기 위해 설정하였고, SC2는 실내온도 변화에 상관없이 난방 스케줄에 따라 컨벡터를 사용하는 것으로 설정하였으며, SC3은 난방 스케줄에 따라 전기식 컨벡터를 사용하는 경우 총 난방에너지 사용량이 증가할 것으로 분석되어 실내온도 감지에 따라 작동하는 FCU 시스템이 작동하는 때에만 동시에 작동하는 것으로 설정하였다.
상기한 바와 같은 시나리오별 시뮬레이션 결과에 대하여 설명하면, 먼저, 시뮬레이션상에서 외기온에 따라 실내온도 제어가 적정하게 이루어지는 지를 비교하기 위해 기준모델의 시뮬레이션 분석 결과 중 연중 실내온도분포와 표준기상데이터의 외기온 분포를 살펴보면, 난방기 실내온도는 난방이 이루어지는 시간에는 22℃로 운영되는 것으로 나타났고, 난방이 이루어지지 않는 야간에는 외기온의 변화에 따라 실내온도가 하강하는 것으로 나타났으며, 분석기간의 냉방은 총 62일 동안 248시간 가동되었고, 난방은 102일 동안 총 529시간 동안 가동되었다.
또한, 온도설정에 따른 연간 에너지사용량을 요소별로 분석한 결과, 기준이 되는 실내온도 22℃에서 연간 에너지사용량은 78,062kWh로 실내온도가 1℃ 변화할 때마다 총 에너지 사용량은 3.2 ~ 3.3% 증가하거나 감소하는 것으로 나타났다.
계속해서, 도 28을 참조하면, 도 28은 SC1 시나리오에 따라 표준모델에서 연간 냉난방 작동에 따른 PMV 거동을 나타낸 도면이다.
도 28에 나타낸 바와 같이, 난방기 난방이 이루어지지 않는 시간에는 상기한 실내온도 변화와 같이 온열쾌적감이 떨어지는 것으로 나타났으나, 난방이 이루어지는 경우에는 0의 값에 가까워지는 것을 알 수 있으며, 이와 같은 결과는 온열 쾌적감 비교를 위한 6가지 변수에서 실내온도가 차지하는 비중이 매우 크다는 것으로 해석할 수 있다.
아울러, 도 29를 참조하면, 도 29는 SC1 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 결과를 도수분포표(도 29a)와 연평균(도 29b)으로 각각 나타낸 도면이다.
도 29에 나타낸 바와 같이, 냉방기에는 실내온도 변화가 거의 없기 때문에 PMV도 거의 변하지 않는 것으로 나타났으나, 난방기의 경우는 실내온도를 높게 설정함에 따라 온열환경 최적값인 0에 근사하는 것을 확인할 수 있다.
계속해서, SC2 시나리오에 따른 에너지사용량 분석에 대하여 설명하면, 본 발명자들은 상기에 제안한 컨벡터의 용량을 입력하기 위해 Hioki사의 3169-20 전력량계를 이용하여 대기상태, 컨벡터 가동, 순환팬 가동 순으로 지구환경연구동의 단계별 전력량을 측정하였다.
측정 결과, 대기상태는 0.039kW, 컨벡터 가동시는 2.5452kW, 대형 순환팬 가동시는 0.4631kW, 소형 순환팬 가동시는 0.3871kW로 각각 측정되어, 500W 컨벡터를 6대 설치하였음에도 실제 전력량은 표시된 전력량에 비해 15% 이상 적게 소비하는 것으로 나타났으며, 시뮬레이션 분석을 위해 추가된 컨벡터의 용량은 2.5kW를 적용하여 추가 모델을 구성하였다.
또한, SC2 시나리오에 따른 연간 전력소비량을 설정온도에 따라 측정한 결과, SC2의 22℃ 기준의 총에너지 소비량은 80,218 kWh로 SC1 시나리오 기준 22℃ 총소비량 78,062kWh에 비해 2.8% 전력이 증가하는 것으로 나타났다.
아울러, 요소별 에너지 사용량을 살펴보면, 컨벡터에서 사용되는 에너지는 시간을 기준으로 작동되기 때문에 온도설정에 상관없이 일정한 것으로 나타났으며, 난방에너지 또한 S1 시나리오와 같이 온도설정이 낮으면 낮을수록 에너지 소비량이 감소하는 것으로 나타났고, 온도설정에 따른 에너지 소비량은 1℃가 증감함에 따라 전체에너지는 2.8 % ~ 3.1%씩 증감하는 것으로 분석되었다.
더욱이, 도 30을 참조하면, 도 30은는 SC2 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 도수분포표(도 30a) 및 SC1과 SC2 시나리오별 연평균 PMV를 비교한 결과(도 30b)를 각각 나타내는 도면이다.
도 30에 나타낸 바와 같이, SC2 시나리오에 따른 PMV 온열쾌적감 분석결과, SC2 연평균 PMV 결과가 SC1의 연평균 결과에 비해 온열쾌적감 최적값인 0에 더 가까운 것을 확인할 수 있고, 이는, 기존 에너지 시스템에 컨벡터가 추가적으로 운영되는 것에 의해 실내온도가 SC1 시나리오에 비해 증가한 것으로 분석되며, 이에 따른 PMV 결과 또한 개선되는 것으로 나타났다.
다음으로, SC3 시나리오에 따른 에너지사용량 분석을 위해, 컨벡터의 작동을 실내온도와 연계하기 위하여 설정된 제어방법을 정리하면 다음과 같다.
- 컨벡터 ON = T실내온도 =< ON 설정온도
- 컨벡터 OFF = T실내온도 >= OFF 설정온도
여기서, 상기한 바와 같이 설치된 컨벡터는 기존 시스템이 작동되었을 때만 함께 작동하는 것으로 설정되었다.
즉, SC3 시나리오에 따른 연간 전력소비량을 설정온도에 따라 측정한 결과, SC3의 22℃ 기준의 총 에너지 소비량은 77,133kWh로 SC1 시나리오 기준 22℃ 총소비량 78,062kWh에 비해 1.2% 전력이 감소하는 것으로 나타났으며, 요소별 에너지 사용량을 살펴보면 컨벡터에서 사용되는 에너지는 실내온도와 연계하여 작동되기 때문에 설정온도가 낮아지면 이에 따라 컨벡터의 에너지 소비량이 감소하는 것으로 나타났고, 반대의 경우는 증가하는 것으로 분석되었다.
특히, 시스템 COP가 상대적으로 적은 컨벡터를 실내온도와 연계하였을 때 총 에너지 소비량이 감소하는 것은 난방시스템의 작동이 시작되었을 때 전기 컨벡터가 먼저 가동함으로써 열원설비 기동부하를 줄여줌은 물론, 난방 가동 초기에 배관에서 손실될 수 있는 난방 소비량을 줄여주기 때문인 것으로 판단된다.
또한, 도 31을 참조하면, 도 31은 SC3 시나리오에 따른 연간 시간별 PMV 결과에서 냉난방이 가동한 시간에 대한 PMV 도수분포표(도 31a) 및 각 시나리오별 연평균 PMV를 비교분석한 결과(도 31b)를 각각 나타내는 도면이다.
도 31에 나타낸 바와 같이, SC3 시나리오에 따른 PMV 온열쾌적감 분석 결과, SC3 연평균 PMV 결과가 SC1의 연평균 결과에 비해 높아지고 SC2에 비해서는 약간 낮아지는 것으로 나타났으며, 이는, PMV 결과가 실내로 전달되는 열이 절대량과 비례하는 것으로 SC2 시나리오 수준까지 개선되지는 않지만 에너지 사용량을 감소시킴과 동시에 SC1의 기존 PMV 온열 쾌적도 결과에 비해서는 상당히 높은 수준으로 유지할 수 있는 것으로 분석되었다.
따라서 상기한 바와 같은 시나리오별 결과에 따른 비교분석을 통하여, 본 발명에서 실시된 모든 변수에 대한 연간에너지 사용량을 요소별로 정리한 결과로부터 SC2 시나리오의 모든 결과는 SC1 시나리오에 비해 높아지는 것을 알 수 있으며, SC3 시나리오의 온도설정에 따른 결과는 SC1에 비해 상대적으로 낮게 나타나는 현상을 확인할 수 있다.
이는, 기존건물에 추가적인 난방 시스템을 설치하더라도 설비용량 증가에 비례하여 에너지 소비량이 증가하는 것이 아니라 건물의 에너지 소비패턴과 특성에 따라 설비 시스템을 제어하는 경우 설비용량이 증가하더라고 에너지소비를 줄일 수 있음을 증명하는 것이다.
더 상세하게는, 도 32를 참조하면, 도 32는 실내온도 설정에 따른 각 시나리오별 연간 에너지 소비량 및 PMV 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 32에 나타낸 바와 같이, SC1 시나리오의 22℃ 설정을 기준으로 하는 경우, SC2가 온열환경이 가장 개선되는 것으로 나타났으나 상대적으로 에너지 소비는 증가하는 것으로 나타났다.
반면, SC3의 시나리오로 추가 설비시스템을 운영하는 경우, 에너지 소비량은 기존 시스템에 비해 줄일 수 있으면서 온열 쾌적감 또한 개선할 수 있는 것으로 나타났다.
따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터, 최종적으로 추가된 컨벡터를 실내온도 설정과 연계하는 경우 총 에너지 사용량은 감소시키면서 온열 쾌적감을 나타내는 지수인 PMV를 기존 시스템의 24℃ 온도설정시까지 끌어올릴 수 있는 효과가 있는 것으로 분석되었다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 천장 매립형 실내기(FCU)가 설치된 국립환경과학원의 지구환경연구동 연구실을 대상으로 계절별 성층화 현상에 대한 실증 분석과 동절기 온도 성층화를 해결하기 위한 방안을 제시하고, 이를 통해 현재 천장 매립형 실내기를 설치하였거나 향후 천장 매립형 실내기 설치를 검토하고 있는 건물에 대한 온열환경 개선방안을 제시하는 동시에, 동절기 난방 에너지를 절감할 수 있는 기초자료를 제시하였다.
즉, 본 발명은, 천장 매립형 실내기 온열환경 및 개선에 대한 기존의 연구동향을 분석하여, 기존 연구결과의 대부분은 시뮬레이션 분석을 기반으로 하고 있고, 실증 실험의 경우 단기간에 걸친 연구로서 천장 매립형 실내기의 계절별 특성, 작동현황 등에 대한 실증분석에 대한 결과는 미흡한 실정을 개선하기 위해, CFD 프로그램을 통한 기류해석, 온도센서를 이용한 실증실험 및 이를 기반으로 PMV 값을 계산하거나 측정하는 방식으로 온열환경 개선방안을 제시하였다.
또한, 본 발명은, 지구환경연구동 실험에 따른 천장 매립형 실내기의 계절별 온도현황에 대한 선행 연구 결과를 계절별로 분석하고, 그 결과, 냉방을 사용하는 냉방기와 냉난방을 사용하지 않는 중간기의 상층부와 하층부의 온도 편차는 매우 미미한 것으로 나타났으나, 난방이 필요한 동절기의 경우 외기온이 낮을수록 상층부와 하층부의 온도편차가 커지며, 특히, 건물을 사용하는 재실자들이 대부분 앉아서 생활하는 높이인 1m 이하에서의 온도편차가 심하게 나타나는 것을 알아내었다.
아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같은 분석결과에 따라 동절기 기류해석(CFD) 시뮬레이션 분석 및 온도 성층화 개선방안을 모색하여, 기류해석 시뮬레이션 분석결과 평균온도는 기본모델 19.7℃, 컨벡터 설치시 24.2℃, 컨벡터 + 팬(Convector + Fan) 설치시 25.2℃로 설비가 추가됨에 따라 평균온도가 상승하고, 컨벡터 + 팬을 설치하는 경우 온도 성층화가 가장 크게 개선되는 분석결과를 제시함으로써, 실내 온열환경 개선에 도움이 될 수 있는 온도 성층화 개선방안을 제시하였다.
더욱이, 본 발명은, 상기한 바와 같이 하여 제시된 개선방안에 대한 실증실험을 수행하여, 그 결과, 온도 성층화 개선을 위한 실내 공기순환에 가구 배치가 영향을 주는 것으로 해석되었으며, 각 실의 특성에 따라 가구 밀도가 높아지는 경우 온도 성층화가 심화될 수 있고, 강재기류를 발생하는 순환팬의 토출구 각도에 따라서도 성층화에 영향을 주는 것으로 분석되어, 최종적으로 가구 배치의 유무를 떠나 기본 운영 + 컨벡터 + 순환팬을 90도로 운영한 결과가 온도 성층화 개선에 가장 큰 효과가 있는 것으로 분석되었다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같은 실증실험 결과에 대하여, 건물에너지 시뮬레이션을 통한 분석을 수행하여, SC1 시나리오의 22℃ 설정을 기준으로 하는 경우 SC2 시나리오의 경우가 온열환경이 가장 개선되나 상대적으로 에너지 소비는 증가하는 반면, SC3 시나리오로 추가 설비시스템을 운영하는 경우 에너지 소비량은 기존 시스템에 비해 줄일 수 있으면서 온열 쾌적감 또한 개선할 수 있는 것으로 분석되어, 최종적으로 추가된 컨벡터를 실내온도 설정과 연계하는 경우 총 에너지 사용량은 감소시키면서 온열 쾌적감을 나타내는 지수인 PMV를 기존 시스템의 24℃ 온도 설정효과까지 끌어올릴 수 있는 효과가 있는 것으로 분석되었다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 에너지 모니터링 데이터와 실험자료를 기반으로 실내 온열환경 개선과 동절기 난방에너지 사용량을 줄일 수 있는 방안을 제시할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 구현할 수 있으며, 즉, 상기한 데이터베이스 구축단계(S10)는, 상기한 바와 같이, 천장 매립형 실내기(FCU)가 설치된 국립환경과학원의 지구환경연구동의 인벤토리 연구실에 온도 성층화 실험을 위한 온도센서를 설치하여 높이별 온도를 측정하고, 모니터링 프로그램의 자료를 활용하여 하절기, 동절기 및 중각기에 대하여 각각 분석을 실시한 내용과, IR(Infra-red) 카메라를 이용하여 TDRo 기법으로 단열평가를 수행한 내용 및 천장 매립형 실내기(FCU)의 풍속측정 실험을 수행한 내용에 근거하여, 각각의 측정으로부터 수집된 데이터를 이용하여 데이터베이스를 구축하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 시뮬레이션 분석단계(S20)는, 데이터베이스 구축단계(S10)에서 수집된 데이터 및 상기한 바와 같이 CFD 해석 프로그램을 이용하여 온도 성층화 기류해석을 위한 시뮬레이션 분석을 수행한 내용에 근거하여, 기본모델, 컨벡터 설치모델 및 컨벡터와 강제대류를 위한 순환팬을 설치한 모델을 각각 구축하고 각 모델에 대하여 시뮬레이션 분석을 수행하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 평가단계(S30)는, 상기한 바와 같이 높이별 지점에 대한 온도센서와 각 모델별로 추가설비를 설치하고, 각 모델별로 실내 PMV 측정, 대류 순환팬의 유속 측정, 추가 설비에 대한 전력측정, 열화상 카메라를 이용한 온도측정을 통하여 검증실험을 실시한 내용에 근거하여, 상기한 시뮬레이션 분석단계(S20)의 분석결과에 대한 검증을 수행하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 개선방안 제시단계(S40)는, 상기한 바와 같은 평가단계(S30)의 분석결과에 근거하여, 실내의 온도 성층화 개선을 위해 제시된 모델들 중 온도성층화의 개선뿐만 아니라, 온열 쾌적감 또한 개선될 수 있는 최적의 모델을 개선방안으로서 선정하고, 이에 더하여, 에너지플러스(Energy Plus) 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 건물 에너지 사용량에 대한 시뮬레이션 분석을 수행함으로써, 온도성층화 및 온열 쾌적감의 개선에 더하여 에너지 사용량까지 고려하여 최적인 개선방안을 제시하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
계속해서, 도 33 내지 도 37을 참조하여, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 난방을 실시하기 위한 난방제어 시스템의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
먼저, 도 33 내지 도 35를 참조하면, 도 33 내지 도 35는 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 난방을 실시하기 위한 난방제어 시스템에 적용되는 컨벡터(10)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 33 및 도 34에 도시된 바와 같이, 컨벡터(10)의 외관은 대략 육면체 형상으로 형성되며, 바람직하게는, 습기가 많은 공간에서도 녹슬지 않고 열에 강한 소재로 형성되도록 구성될 수 있다.
또한, 컨벡터(10)의 전면 하측에는 다수 개의 공기유입구(11)가 형성되며, 이러한 공기유입구(11)는 컨벡터(10)가 설치된 실내 공기, 즉, 컨벡터(10)를 기준으로 외부 공기(실내에 존재하는 공기)가 유입되는 공간이다.
아울러, 컨벡터(10)의 내부 하측에는 히팅부재(미도시)가 설치되어 공기유입구(11)로 유입된 공기를 가열하도록 구성될 수 있으며, 이러한 히팅부재는 내부 공기를 가열하기 위한 열원으로 통상적으로 시즈히터(미도시)와 방열판(미도시)의 결합으로 구현될 수 있다.
더욱이, 컨벡터(10)의 상부에는, 도 33 및 도 34에 도시된 바와 같이, 다수 개의 공기배출구(12)가 형성되어 히팅부재에 의해 가열된 공기가 배출되도록 구성될 수 있으며, 이러한 구성에 의해, 히팅부재에 의해 가열된 컨벡터(10) 내부의 공기는 자연스럽게 상승되면서 공기배출구(12)를 통해 실내로 배출되고, 차가운 공기는 다시 컨벡터(10) 내부로 유입되는 자연 대류가 이루어지게 된다.
또한, 컨벡터(10)의 상부에는 송풍팬(13)이 결합되며, 이러한 송풍팬(13)은, 도 33에 도시된 바와 같이, 후술하는 바와 같은 송풍팬 커넥터(14)에 의해 각도조절이 가능하게 결합되어, 컨벡터(10)의 공기배출구(12)를 통해 배출되는 가열된 공기를 실내로 확산시키는 역할을 한다.
즉, 도 33 및 도 34에 도시된 바와 같이, 송풍팬(13)은 송풍팬 커넥터(14)에 결합되고, 송풍팬 커넥터(14)는 송풍팬(13)을 컨벡터(10)에 각도조절이 가능한 상태로 탈착 가능하도록 하기 위한 것이며, 후술하는 제어부의 제어신호에 따라 송풍팬(13)의 각도를 조절하도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 33 및 도 34에 도시된 바와 같이, 송풍팬 커넥터(30)는, 컨벡터(10)의 상부에 형성되는 가이드레일(15), 가이드레일(15)을 따라 결합되는 가이드(16)가 형성되는 결합플레이트(17), 송풍팬(13)이 설치되는 회전플레이트(18), 결합플레이트(17)와 회전플레이트(18)를 연결하는 힌지축(19) 및 힌지축(19)에 구동력을 제공하는 모터(20)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 가이드레일(15)은, 도 33 및 도 34에 도시된 바와 같이, 공기배출구(12)와 인접한 위치에 컨벡터(10)의 길이방향과 나란한 방향으로 연장되어 가이드(16)가 결합되는 부분으로 형성된다.
또한, 결합플레이트(17)의 하부에는 가이드(16)가 가이드레일(15)과 결합되는 방향으로 돌출되게 형성되어, 가이드레일(40)을 따라 이동되어 결합플레이트(17)를 컨벡터(10)의 상부에 결합시키는 역할을 한다.
아울러, 결합플레이트(17)에는 상부에 송풍팬(13)이 설치되는 회전플레이트(18)가 틸팅 가능하게 결합되어, 결합플레이트(17)에 대해 틸팅되면서 송풍팬(13)의 상하 방향 각도를 조절하는 역할을 한다.
이때, 결합플레이트(17)와 회전플레이트(18)는 힌지축(19)에 의해 연결되며, 힌지축(19)은 회전플레이트(18)가 결합플레이트(17)에 대해 틸팅되도록 중심을 제공하는 역할을 한다.
더욱이, 힌지축(19)의 일측에는 모터(20)가 전기적으로 연결되어, 후술하는 제어부의 제어에 의해 힌지축(19)을 중심으로 회전플레이트(18)가 틸팅되도록 구동력을 제공하는 역할을 한다.
여기서, 송풍팬 커넥터(14)에는, 도 35에 도시된 바와 같이, 송풍팬(13)을 회전플레이트(18)에 결합시키면서 송풍팬(13)의 좌우 회전을 허용하는 스윙부재(30)가 구비될 수 있다.
더 상세하게는, 도 35에 도시된 바와 같이, 스윙부재(30)는 송풍팬(13)과 좌우 회전 가능하게 결합되는 회전축(31)과, 회전축(31)으로 동력을 전달하는 동력전달부재(32)를 포함하여 구성될 수 있으며, 동력전달부재(32)는 구동력을 제공하는 동력모터(33)와, 동력모터(33)와 연결되어 회전되는 구동축(34) 및 구동축(34)으로부터 회전축(31)에 동력을 전달하도록 서로 맞물려 회전되는 구동기어(35)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 구동기어(35)는, 바람직하게는, 서로 교차하는 두 축을 연결할 수 있는 베벨 기어(bevel gear)로 구성될 수 있다.
상기한 바와 같은 구성으로부터, 송풍팬 커넥터(14)가 스윙부재(30)에 의해 좌우 회전되면서 컨벡터(10)로부터 배출되는 공기를 실내에 골고루 분산시킬 수 있으므로, 난방의 효율성이 증대될 수 있다.
또한, 도 34에 도시된 바와 같이, 실내의 설정된 지점, 예를 들면, 벽체(W)나 창문의 일측에는 각 지점의 온도를 측정하여 전송하는 온도센서(41)가 설치될 수 있다.
아울러, 도 36을 참조하면, 도 36은 도 33에 나타낸 컨벡터(10)를 포함하여 구성되는 난방제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 36에 도시된 바와 같이, 컨벡터(10)와 송풍팬(13), 온도센서(41) 및 송풍팬 커넥터(14)는 제어부(42)에 의해 작동이 제어되며, 제어부(42)는 온도센서(41)의 측정신호를 기반으로 송풍팬(13)의 송풍각도를 제어하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(42)는, 상기에 설명한 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법에 근거하여 제시된 개선방안에 따라 컨벡터(10)의 전체적인 동작이나 송풍팬(13)의 방향 및 각도 등을 적절히 조절함으로써 난방을 제어하도록 구성될 수 있으며, 이와 같이 구성되는 온도센서(41), 제어부(42) 및 컨벡터(10)를 포함하여 난방제어 시스템을 용이하게 구현할 수 있다.
다음으로, 도 37을 참조하면, 도 37은 도 33에 나타낸 컨벡터(10)의 송풍팬 커넥터의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 37에 도시된 바와 같이, 송풍팬 커넥터는, 송풍팬(51)을 회전가능한 상태로 가이드레일(15)에 추가로 결합시키는 추가 커넥터(52)로 구성될 수 있으며, 이러한 추가 커넥터(52)는 결합플레이트(17)와 회전플레이트(18) 및 힌지축(19)과 동일하게 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 37에 도시된 바와 같이, 송풍팬 커넥터(14)와 추가 커넥터(52)는 연동부재(53)에 의해 서로 연결되고, 연동부재(53)는 송풍팬 커넥터(14)의 힌지축(19)을 추가 커넥터(52)의 힌지축(54)과 맞물려 결합시키면서 모터(20)의 작동에 따라 힌지축(19, 54)을 연동시키는 역할을 한다.
본 실시예에 있어서, 연동부재(53)는, 송풍팬 커넥터(14)의 힌지축(19)에 돌출되게 형성되는 키(55) 및 키(55)가 삽입되어 고정되도록 추가 커넥터(52)의 힌지축(54)에 형성되는 키홈(56)을 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이 풍량에 따라 송풍팬 커넥터(14)와 추가 커넥터(52)를 연결하여 사용할 수 있으므로, 불필요한 전력 소모를 줄여 에너지 절감효율을 높일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨벡터를 이용한 난방제어 시스템의 동작과정을 설명한다.
먼저, 도 34에 도시된 바와 같이, 실내의 벽체(W)에는 온도센서(41)가 설치되어 있어 벽체(W)의 온도를 측정하여 인가한다. 그리고 온도센서(41)의 측정신호를 기반으로 제어부(42)는 송풍팬(13)의 송풍각도를 제어한다.
이와 같이 되면, 도 34에 도시된 바와 같이, 송풍팬(13)이 결합된 회전플레이트(18)가 결합플레이트(17)에 대해 틸팅되면서 송풍팬(13)의 상하 방향 각도를 조절하게 된다.
상기한 바와 같이, 컨벡터(10)의 공기배출구(12)로부터 배출되는 공기가 송풍팬(13)에 의해 필요한 곳을 향해 분산되므로 난방이 실내에 골고루 공급될 수 있으며, 또한, 컨벡터(10)가 필요한 곳마다 모두 설치할 필요 없이 난방이 필요한 방향으로 송풍팬(13)의 각도를 조절하면 되므로 컨벡터(10)의 설치공간을 절감할 수 있어 공간의 활용성이 증대될 수 있다.
다음으로, 풍량을 증가시키는 경우, 사용자는 송풍팬 커넥터(14)와 추가 커넥터(52)를 연결시키고, 이때, 송풍팬 커넥터(14)의 힌지축(19)에 형성된 키(55)를 추가 커넥터(52)의 힌지축(54)에 형성된 키홈(56)에 삽입하여 고정되도록 하며, 이와 같이 송풍팬 커넥터(14)와 추가 커넥터(52)를 필요에 따라 연결하여 사용함으로써, 불필요한 전력 소모를 줄여 에너지 절감효율을 높일 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법 및 이를 이용한 난방제어 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 높이별 실내온도 변화와 이에 따른 재실자의 온열환경을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 기류해석(CFD) 시뮬레이션 분석을 통하여 실내온도 성층화에 따른 에너지 사용패턴을 분석하며, 분석된 결과에 근거하여 냉난방 에너지를 절약할 수 있는 방안을 모색하고 실제 실험을 통해 검증하는 것에 의해, 천장 매립형 실내기가 설치된 건물에서의 온도 성층화 현상을 해소하여 실내 온열환경을 개선하고 효율적인 냉난방을 통해 에너지를 절약하기 위한 구체적이고 상세한 자료를 제시할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법이 제공됨으로써, 급기구에서 떨어지는 기류로 인한 콜드 드래프드와 핫 드래프트의 영향으로 인해 열적 쾌적감이 떨어지고, 특히, 동절기에 실내의 위쪽과 아래쪽의 온도 편차에 따른 온도 성층화의 영향으로 온열 쾌적감이 극도로 나빠지며, 이러한 온도 성층화 현상으로 인해 동절기 실내 난방온도를 지나치게 높게 설정하여 에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래의 천장 매립형 실내기(FCU)들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 CFD 시뮬레이션 분석과 PMV 측정 및 계산, 온도센서를 이용한 실증실험을 통하여 시뮬레이션을 기반으로 이론해석과 실증실험을 병행하는 것에 의해 실내 온열환경 개선 및 동절기 난방에너지 사용량을 절감할 수 있도록 구성되는 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법을 이용하여, 온도 성층화 현상의 개선 및 에너지 절약이 가능하도록 구성되는 냉난방 시스템이 제공됨으로써, 동절기 온도 성층화 현상 및 이로 인해 난방에너지가 낭비되는 문제가 있었던 종래기술의 천장 매립형 실내기를 설치한 실내 냉난방 시스템 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방법 및 이를 이용한 난방제어 시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 컨벡터 11. 공기유입구
12. 공기배출구 13. 송풍팬
14. 송풍팬 커넥터 15. 가이드레일
16. 가이드 17. 결합플레이트
18. 회전플레이트 19. 힌지축
20. 모터 30. 스윙부재
31. 회전축 32. 동력전달부재
33. 동력모터 34. 구동축
35. 구동기어 41. 온도센서
42. 제어부 51. 송풍팬
52. 추가 커넥터 53. 연동부재
54. 힌지축 55. 키
56. 키홈 W. 벽체
12. 공기배출구 13. 송풍팬
14. 송풍팬 커넥터 15. 가이드레일
16. 가이드 17. 결합플레이트
18. 회전플레이트 19. 힌지축
20. 모터 30. 스윙부재
31. 회전축 32. 동력전달부재
33. 동력모터 34. 구동축
35. 구동기어 41. 온도센서
42. 제어부 51. 송풍팬
52. 추가 커넥터 53. 연동부재
54. 힌지축 55. 키
56. 키홈 W. 벽체
Claims (18)
- 실내에서의 효율적인 냉난방 및 에너지 절약을 위한 온도 성층화 개선방안을 제시하기 위한 일련의 처리과정이 컴퓨터나 또는 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 온도 성층화 개선방법에 있어서,
온도센서를 포함하는 복수의 센서를 통해 분석대상이 되는 실내공간에 대한 실제 측정값을 수신하고 미리 정해진 일정기간 동안의 모니터링을 통하여 온도 성층화 개선방안을 수립하기 위한 시뮬레이션 분석에 필요한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 데이터베이스 형태로 저장하는 처리가 수행되는 데이터베이스 구축단계;
상기 데이터베이스 구축단계에서 수집된 데이터를 이용하여 온도 성층화 개선을 위한 복수의 시뮬레이션 모델을 구축하고, 각 모델에 대한 시뮬레이션 분석을 수행하는 처리가 수행되는 시뮬레이션 분석단계;
각각의 모델에 대하여 상기 시뮬레이션 분석단계에서의 분석결과의 타당성을 평가하는 처리가 수행되는 평가단계; 및
상기 평가단계의 평가결과에 근거하여 최적의 모델을 선정하는 것에 의해 상기 실내공간에 최적화된 온도 성층화 개선방안을 결정하는 처리가 수행되는 개선방안 제시단계를 포함하여 구성되고,
상기 평가단계는,
상기 시뮬레이션 분석단계의 분석결과를 검증하기 위해 복수의 서로 다른 개선방안에 대한 복수의 케이스를 각각 상정하고, 각각의 케이스에 따라 상기 실내공간에 복수의 온도센서 및 각 케이스별로 추가되는 추가설비를 설치하는 과정과,
각 케이스별로 실내의 예상온열감(Predicted Mean Vote; PMV)을 측정하는 과정과,
각 케이스별로 순환팬의 유속을 측정하는 과정과,
각 케이스별로 상기 추가설비에 대한 전력사용량을 측정하는 과정과,
각 케이스별로 열화상 카메라를 이용하여 온도분포를 측정하는 과정 및
각각의 케이스에 대하여 높이별 온도분포 및 최대-최소 온도편차를 비교분석하여 온도 성층화의 개선효과를 평가하는 과정을 포함하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 데이터베이스 구축단계는,
분석대상이 되는 상기 실내공간에 대한 온열환경을 조사하기 위해 복수의 온도센서를 설치하여 바닥에서 천장까지의 높이별 온도를 측정하고, 각각의 온도센서를 통해 측정된 데이터를 수집하는 과정과,
적외선 열화상(Infra-red; IR) 카메라를 이용한 온도차 측정방법(Temperature Difference Ratio ; TDR)에 의해 단열평가를 수행하는 과정; 및
상기 실내공간에 설치된 천장 매립형 실내기(FCU)에서 토출되는 풍량의 풍속을 측정하고 최고 풍속을 나타내는 토출구를 100% 기준으로 하여 각 토출구의 풍속상태를 구간별로 나누어 분류하는 과정을 통하여 수집된 데이터를 상기 데이터베이스로 구축하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 단열평가를 수행하는 과정은,
이하의 수학식을 이용하여 TDRo 기법에 의해 벽체의 내표면 결로 판정지표를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
(여기서, Ti는 실내 온도(℃), Tos는 외피의 외표면 온도(℃), To는 측정 당시 외기온도(℃)를 각각 나타냄)
- 제 3항에 있어서,
상기 시뮬레이션 분석단계는,
상기 데이터베이스 구축단계에서 수집된 데이터에 근거하여 상기 실내공간에 대한 모델링 작업을 수행하고, 구축된 각각의 모델에 대하여 실측 온도분포와 시뮬레이션 온도분포를 비교하여 타당성을 검증하는 모델링 과정과,
상기 모델링 과정에서 모델링된 각각의 모델에 대하여 Fluent CFD(Computational fulid dynamic) 해석 프로그램을 이용하여 온도 성층화 기류해석을 위한 시뮬레이션 분석을 수행하는 CFD 분석과정을 포함하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 모델링 과정은,
상기 실내공간에 아무런 추가구성이 설치되지 않은 기본모델과,
상기 실내공간에 성층화를 유발하는 것으로 예상되는 열취약부위에 컨벡터(convector)가 추가된 컨벡터 모델 및
상기 컨벡터와 함께 강제대류를 위한 순환팬이 설치된 순환팬 모델에 대하여 각각 모델링을 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 CFD 분석과정은,
상기 기본모델, 상기 컨벡터 모델 및 상기 순환팬 모델에 대하여 온도분포, 기류분포, 기류 유속분포 및 기류 유적선에 대한 분석을 각각 수행하고,
모든 케이스에 대한 분석결과를 종합하여 온도 성층화의 개선효과를 비교분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 평가단계는,
FCU만 운영되는 경우, FCU와 컨벡터가 운영되는 경우, FCU와 컨벡터 및 순환팬이 운영되는 경우에 더하여, 상기 순환팬의 각도 및 가구배치의 유무를 고려하여 각각의 케이스를 설정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 평가단계는,
상기 온도분포 및 상기 최대-최소 온도편차에 더하여, 각 케이스별로 측정된 PMV를 비교분석하여 온도 성층화 개선과 온열 쾌적감의 개선효과를 함께 평가하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 제 9항에 있어서,
상기 방법은,
에너지 및 부하 시뮬레이션을 위한 에너지플러스(Energy Plus) 프로그램을 이용하여, 건물의 에너지 사용량에 대한 시뮬레이션 분석을 수행하는 처리가 수행되는 에너지 시뮬레이션 분석단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 개선방안 제시단계는,
상기 평가단계의 평가결과 및 상기 에너지 시뮬레이션 분석단계의 분석결과에 근거하여, 온도성층화와 온열 쾌적감 및 에너지 사용량을 고려하여 온도 성층화 개선방안을 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 성층화 개선방법.
- 청구항 1항 내지 청구항 6항, 청구항 8항 내지 11항 중 어느 한 항에 기재된 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 냉난방을 실시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 운영방법.
- 청구항 1항 내지 청구항 6항, 청구항 8항 내지 11항 중 어느 한 항에 기재된 온도 성층화 개선방법을 이용하여 제시된 개선방안에 따라 실내의 난방을 제어하는 난방제어 시스템에 있어서,
전원공급에 의해 작동하면서 난방을 위한 열기를 제공하는 컨벡터;
상기 컨백터에 각도조절이 가능하게 결합되어 상기 컨벡터에서 발생하는 열기를 실내로 확산시키는 송풍팬;
실내의 설정된 지점에 설치되어 각 지점의 온도를 측정하여 인가하는 온도센서;
상기 컨벡터와 상기 송풍팬 및 상기 온도센서의 작동을 제어하며, 상기 온도센서의 측정신호를 기반으로 상기 송풍팬의 송풍각도를 제어하는 제어부; 및
상기 송풍팬을 상기 컨벡터에 각도조절이 가능한 상태로 탁찰 가능하게 결합시키며, 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 송풍팬의 각도를 조절시키는 송풍팬 커넥터를 포함하여 구성되고,
상기 송풍팬 커넥터는,
상기 컨벡터의 상부에 형성되는 가이드레일;
상기 가이드레일을 따라 결합되는 가이드가 형성되는 결합플레이트;
상기 결합플레이이트에 틸팅 가능하게 결합되고, 상기 송풍팬이 설치되는 회전플레이트;
상기 회전플레이트와 상기 결합플레이트를 연결하며, 상기 회전플레이트가 틸팅되는 중심을 제공하는 힌지축; 및
상기 제어부의 제어에 의해 상기 힌지축을 중심으로 상기 회전플레이트가 틸팅되도록 구동력을 제공하는 모터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컨벡터를 이용한 난방제어 시스템.
- 삭제
- 제 13항에 있어서,
상기 송풍팬 커넥터는,
상기 송풍팬을 상기 회전플레이트에 결합시키면서 상기 송풍팬의 좌우 회전을 허용하는 스윙부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컨벡터를 이용한 난방제어 시스템.
- 제 15항에 있어서,
상기 스윙부재는,
상기 송풍팬과 좌우 회전 가능하게 결합되는 회전축; 및
상기 회전축으로 동력을 전달하는 동력전달부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컨벡터를 이용한 난방제어 시스템.
- 제 13항에 있어서,
상기 송풍팬 커넥터는,
상기 결합플레이트와 상기 회전플레이트 및 상기 힌지축과 동일하게 구성되어 또 다른 송풍팬을 회전가능한 상태로 상기 가이드레일에 추가로 결합시키는 추가 커넥터; 및
상기 힌지축을 상기 추가 커넥터의 힌지축과 맞물려 결합시키면서 상기 모터의 작동에 따라 상기 힌지축들을 연동시키는 연동부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컨벡터를 이용한 난방제어 시스템.
- 제 17항에 있어서,
상기 연동부재는,
상기 힌지축에 돌출되게 형성되는 키; 및
상기 추가 커넥터의 힌지축에 형성되어 상기 키가 삽입되어 고정되는 키홈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컨벡터를 이용한 난방제어 시스템.
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