KR102062337B1 - 빌딩 에너지 절감 관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빌딩의 에너지를 관리하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템에 있어서, 빌딩의 네 방위에 각각 설치되는 복수개의 일사량 센서를 포함하는 센서부, 상기 빌딩의 각 층의 각 방위에 따라 구획된 영역으로 냉난방을 공급하는 냉난방시스템, 및 상기 일사량 센서로부터 일사량 순시값을 입력 받아 각 방위의 일사량의 평균 순시값을 산출하고, 일사량 평균 순시값에 따라 상기 구획된 영역 별로 냉난방 공급을 위한 밸브를 제어하는 직접디지털제어기;를 포함하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템을 제공한다.

Description

빌딩 에너지 절감 관리 시스템{BUILDING ENERGY SAVE MANAGEMENT SYSTEM}

본 발명은 에너지를 절감할 수 있도록 하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 업무용 빌딩, 공공기관 빌딩, 아파트 등과 같은 중대형 건물에는 실내 공기의 온도, 습도 및 청정, 등을 조절하여 실내의 사용 목적에 적합한 상태로 유지시키기 위한 공기조화기, 보일러, 펌프 등과 같은 빌딩설비가 구축되어 있다.

이러한 빌딩 설비를 제어하기 위한 직접 디지털 제어기(Direct Digital Controller:이하, '디지털 제어기'라 함)를 포함하는 BACnet(Building Automation and Control Networks)의 빌딩 자동 제어 시스템이 건물에 구축되고 있다.

빌딩 자동 제어 시스템은 온도, 습도, 청정 등을 조절하기 위하여 공기조화기, 냉온수기, 냉동기, 열교환기, 난방보일러 및 급탕보일러, 지하저수조, 각종 급,배기팬, 배수펌프 등의 빌딩 시설을 제어하는 기능을 포함한다.

빌딩 에너지 관리 시스템(Building Energy Management System: BEMS)은 건설 기술, 정보 통신 기술 및 에너지 기술이 집약되어 빌딩 내에서 사용하는 에너지의 소비를 효율적으로 관리해 주는 시스템으로서, 빌딩에 설치되어 에너지의 소비를 설비/용도별로 구분하고 에너지 패턴을 분석 및 예측하여 빌딩설비를 제어하는 기능을 수행할 수 있다.

빌딩의 에너지 소비는 탄소 배출과 직접적으로 연관이 있기 때문에 빌딩의 에너지 관리 및 절감 기술에 대한 중요성이 더욱 주목받고 있는 실정이다.

대한민국 공개 특허 제10-2018-0057659호 대한민국 등록 특허 제10-1767343호 대한민국 등록 특허 제10-1801631호 대한민국 등록 특허 제10-1902888호

본 발명의 목적은 방위 마다 상이한 일사량을 이용하여 비례제어식으로 냉난방 양을 조절하여 에너지 소비를 절감할 수 있는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 빌딩의 에너지를 관리하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템에 있어서,

빌딩의 네 방위에 각각 설치되는 복수개의 일사량 센서를 포함하는 센서부;

상기 빌딩의 각 층의 각 방위에 따라 구획된 영역으로 냉난방을 공급하는 냉난방시스템; 및

상기 일사량 센서로부터 일사량 순시값을 입력 받아 각 방위의 일사량의 평균 순시값을 산출하고, 일사량 평균 순시값에 따라 상기 구획된 영역 별로 냉난방 공급을 위한 밸브를 제어하는 직접디지털제어기;를 포함하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템을 제공한다.

상기 방위별 일사량을 누적 수집하고, 상기 냉난방시스템의 소요 전력값을 순시 및 누적 수집하고 시뮬레이션을 통한 절감 전력을 산출하는 에너지관리서버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 직접디지털제어기는 상기 방위별 일사량 평균값에 따라 일사량이 많은 방위와 일사량이 적은 방위의 각 영역에 설치되어 있는 냉난방 공급을 위한 비례 제어밸브의 최대 오픈 범위와 최소 오픈 범위를 아래 수학식을 이용하여 설정하는 것을 특징으로 한다.

에너지 관리 서버는 일사량 평균, 방위 별 실내온도, 방위 별 Zone Valve의 상/하한 범위 및 소비전력을 누적시켜 데이터화 하여 DB에 저장하고, 상깅 누적 데이터는 Machine Learning 알고리즘에 의해 학습하고 변화하는 일사량 평균 및 실내 온도에 따라 최저 소비 전력의 방위 별 Zone Valve의 상/하한 범위 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 일사량에 따라 냉난방 공급량이 동일한 측에서도 상이하게 배분되도록하여 빌딩에서 사용하는 에너지를 절감할 수 있는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 빌딩 에너지 저감 관리 시스템의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 빌딩 에너지 저감 관리 시스템의 센서부가 설치된 상태를 나타낸 나타낸 개략도이다.
도 3 은 도 2의 센서부를 구성하는 일사량측정기의 예를 나타낸 도면이다.
도 4 는 빛의 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7은 는 본 발명의 일 실시예에 따른 DDC의 연산 처리 흐름을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 설명에 앞서 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다.

이는, 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 빌딩 에너지 저감 관리 시스템의 구성을 나타낸 블럭도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 빌딩 에너지 저감 관리 시스템의 센서부가 설치된 상태를 나타낸 개략도이다. 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빌딩 에너지 저감 관리 시스템은 직접 디지털 제어기 (DDC: Direct Digital Controller, 110), 에너지관리서버(120), 냉방시스템(130), 난방시스템(140), 센서부(160)를 포함한다.

센서부(160)는 도 2에 도시된 바와 같이, 복수개의 일사량 감지장치가 빌딩의 동서남북 4방향 모두에 설치된다. 센서부(160)의 복수개의 일사량 감지장치는 4 방위에서 일사량 값을 센싱하고 각 방위별로 일사량의 순시값을 DDC(110)로 출력한다. 도 3은 도 2의 센서부(160)를 구성하는 일사량 감지장치의 예를 나타낸 도면이다. 일사량 감지장치는 큐브소프트사의 제품명 QSR-3200, 기상 관측 장비를 사용할 수 있다. 상기 일사량 감지장치는 일사량 측정범위가 0~1500W/m2로 일사량 정밀도가 ±5% 이내인 것이 바람직하다.

일사량은 태양으로부터 오는 태양복사에너지가 닿는 양을 말하고 일조량은 태양광선이 구름이나 안개 등에 의해서 차단되지 않고 지표면을 비추는 시간을 말한다. 일사량은 태양 복사 에너지의 양이고 일조량은 태양광선이 비춘 시간을 의미하다. 도 4는 태양광 스펙트럼을 나타내는 도면으로, 태양광은 파장에 따라 적외선, 가시광선, 자외선으로 분류되는데, 이중 적외선은 에너지가 작은 대신 파장이 길며 열을 동반하여 지표면이나 빌딩에 열이 흡수된다.

센서부(160)는 실내 온도센서, 실외 온도센서, 배관 온도센서, 실내 습도센서, 실외 습도센서 등을 포함한다. 센서부(160)에 포함되는 센서에는 제한이 없다.

직접디지털제어기(110)는 냉동기, 보일러, 열교환기와 같은 냉/난방 설비, 공기 조화기, 환기 설비, 전력 배전반, 엘리베이터 또는 조명 설비 등과 같은 빌딩 설비가 위치한 각각의 현장마다 설치되어 빌딩 설비의 동작 제어, 감시 및 사용 이력 관리 기능을 수행하면서 에너지 관리까지 수행할 수 있다. 그리고 직접디지털제어기(110)는 IP 기반 웹브라우저 DDC 기능을 가지고 있으며, 통신망을 통하여 복수의 직접디지털제어기(110) 간에 상호 데이터를 교환하는 기능을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 빌딩 관리 시스템의 냉방시스템(130)은 흡수식 냉동기를 가동하여 각 층에서 나눠지는 비례제어식 ZONE VALVE를 통해 배관으로 냉수를 각 층에 공급하고, 팬코일 유닛을 가동하여 설정 온도에 맞춰 제어된다. 난방시스템(140)은 지역난방을 통한 열교환기 또는 지열시스템을 통해 각 층에서 나눠지는 비례제어식 ZONE VALVE를 통해 배관으로 온수를 공급하고, 팬코일 유닛을 가동하여 설정 온도에 맞춰 난방을 하거나 급탕을 공급한다.

에너지관리서버(120)는 방위별 일사량을 누적 수집하고, 냉난방시스템(130,140)의 소요 전력값을 순시 및 누적 수집하고 시뮬레이션을 통한 절감 전력을 표시하는 기능을 수행한다.

직접디지털제어기(110)는 설정 시간 간격으로 빌딩의 각 방위 별 일조량 순시값에 따른 누적값을 저장하고, 각 방위별 일사량 평균값을 도출한다.

직접디지털제어기(110)는 각 방위별 일사량 평균값에 따라 일사량이 많은 방위와 일사량이 적은 방위의 각 존에 설치되어 있는 비례 제어밸브의 최대 오픈 범위와 최소 오픈 범위를 Function LIMIT, SPAN 내장함수를 이용하여 상/하한을 설정한다. 직접디지털제어기(110)는 냉난방 유량을 각 방위별 일사량 평균값에 따라 각 존 별로 차등 적용되도록 제어한다. 즉, 직접디지털제어기(110)는 각 방위별 일사량 평균값에 따라 각 존 별로 팬코일 냉난방 밸브 출력의 상하한값(LIMIT)과 범위(SPAN)를 Function LIMIT, SPAN 함수식을 이용하여 도출한다.

본 발명의 실시예에 따르면 상하한(LIMIT)을 제한하여 출력한다. 입력은 아날로그 1개 출력은 아날로그 1개이고, 파라미터는 아날로그 2개 상한제한값, 하한제한값이 있다. 단 상한 제한값이 하한 제한값보다 커야 한다. 도면상 각각의 값은 다음 표 1과 같다.

본 발명의 실시예에 따르면 입력된 값의 스케일을 변경하여 출력할 수 있게 된다. 입력값이 입력 상한 제한보다 크면 출력 상한 제한값으로, 입력 하한 제한보다 작으면 출력 하한 제한값으로 출력한다. 입력 상하한 범위 내에 있을 시에는 입력 상하한대 출력 상하한 비율로 계산된다.

따라서, 직접디지털제어기(110)의 Function LIMIT, SPAN 함수식은 다음 수학식 1과 같다.

입력값은 아날로그 1개이고 출력값은 아날로그 1개이나, 파라미터는 입력상한, 입력하한, 출력상한, 출력하한 4개의 아날로그 값을 갖는다. 단, 상한 제한값이 하한 제한값보다 커야한다.

입력 출력 파라미터는 아래 표 1과 같다.

상기와 같은 LIMIT 제한에 의해 도 8의 그래프와 같이 출력값이 제한된다. 따라서, 냉난방 자원을 제한 없이 사용하여 낭비되는 것을 방지하고 이 온도와 일사량 값에 따라 냉난방 자원을 한도 안에서 분배할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 빌딩 에너지 저감 관리 시스템의 에너지 관리 서버(120)는 시뮬레이션을 통해 냉난방시 설정 온도 유지에 따라 냉방시스템과 난방시스템의 구동에 따라 소비되는 전력을 예측 수집한 후, 실제 소비 전력과 비교하여 절감되는 전력량을 표시하고 기능 활성 비활성을 제안할 수 있다.

또한, 에너지관리서버(120)는 일사량 평균, 방위 별 실내온도, 방위 별 Zone Valve의 상/하한 Range, 소비전력 등을 누적시켜 데이터화 하여 DB에 저장한다. 또한 누적 데이터는 Python TensorFlow 의 ML(Machine Learning) 알고리즘에 의해 학습되고, 이러한 알고리즘과 누적 데이터를 기반으로 에너지 관리 서버는 변하는 외부 환경 조건에 맞춰 최저 소비 전력의 방위 별 Zone Valve의 상/하한 Range 값을 예측 고정적용 하여 에너지를 절감한다.

도 5 내지 도 7은 는 본 발명의 일 실시예에 따른 DDC의 연산 처리 흐름을 나타낸 도면이다. 도시되는 바와 같이, 직접디지털제어기(110)는 난방펌프 상태, 급탕펌프 상태, 난방공급온도, 난방온도설정, 외기온도, 급탕공급온도, 외기하한, 외기상한, 보상하한, 보상상한 값을 입력받고, 외기보상값을 산출 받아 열교환기 난방벨브를 제어한다. 직접디지털제어기(110)는 일사량 산출을 위해 기준설정시간 일사량을 리셋하도록 제어한다. 일사량 순시값을 바탕으로 동서남북의 일사량 적산값을 입력받고 동서남북 일사량 평균값을 산출한다. 직접디지털제어기(110)는 각 방위의 일사량순시값과 일사량평균순시값을 입력받아 각 방위의 평균대비값을 도출한다. 직접디지털제어기(110)는 각 방위의 평균대비도출 값에 따라 팬코일냉난방벨브 출력을 제어한다.

도 9 는 SPAN FUNCTION 적용 확대를 나타내는 실시예이다. 도시된 바와 같이 입력된 값의 스케일이 FUNCTION에 의해 변경하여 출력되는 것을 확인할 수 있다.

Claims (4)

1. 빌딩의 에너지를 관리하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템에 있어서,
   빌딩의 네 방위에 각각 설치되는 복수개의 일사량 센서를 포함하는 센서부;
   상기 빌딩의 각 층의 각 방위에 따라 구획된 영역으로 냉난방을 공급하는 냉난방시스템; 및
   상기 일사량 센서로부터 일사량 순시값을 입력 받아 각 방위의 일사량의 평균 순시값을 산출하고, 일사량 평균 순시값에 따라 상기 구획된 영역 별로 냉난방 공급을 위한 밸브를 제어하는 직접디지털제어기;를 포함하고,
   상기 직접디지털제어기는 상기 방위별 일사량 평균값에 따라 일사량이 많은 방위와 일사량이 적은 방위의 각 영역에 설치되어 있는 냉난방 공급을 위한 비례 제어밸브의 최대 오픈 범위와 최소 오픈 범위를 아래 수학식을 이용하여 설정하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템.
   

   

   
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방위별 일사량을 누적 수집하고, 상기 냉난방시스템의 소요 전력값을 순시 및 누적 수집하고 시뮬레이션을 통한 절감 전력을 산출하는 에너지관리서버를 추가로 포함하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 에너지 관리 서버는 일사량 평균, 방위 별 실내온도, 방위 별 Zone Valve의 상/하한 범위 및 소비전력을 누적시켜 데이터화 하여 DB에 저장하고, 상깅 누적 데이터는 Machine Learning 알고리즘에 의해 학습하고 변화하는 일사량 평균 및 실내 온도에 따라 최저 소비 전력의 방위 별 Zone Valve의 상/하한 범위 값을 산출하는 빌딩 에너지 절감 관리 시스템.
   

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