KR102259411B1 - 실시간 공기질 기반 환기 시스템 - Google Patents

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문정현
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김범준
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Abstract

본 발명은 실시간 공기질 기반 환기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실내 공기질을 실시간으로 모니터링하여 환기가 필요하다고 판단되면 환기장치를 가동시키고, 환기장치의 가동 정보를 모니터링하여 필터의 수명을 예측하는 실시간 공기질 기반 환기 시스템을 제공한다.

Description

실시간 공기질 기반 환기 시스템 {REAL-TIME AIR QUALITY-BASED VENTILATION SYSTEM}
본 발명은 실시간 공기질 기반 환기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실내 공기질을 실시간으로 모니터링하여 환기가 필요하다고 판단되면 환기장치를 가동시키고, 환기장치의 가동 정보를 모니터링하여 필터의 수명을 예측하는 실시간 공기질 기반 환기 시스템에 관한 것이다.
먼지는 입자의 크기에 따라 50μm 이하인 총먼지(TSP, Total Suspended Particles)와 입자크기가 매우 작은 미세먼지(PM, Particulate Matter)로 구분할 수 있다.
미세먼지는 다시 지름이 10μm보다 작은 미세먼지(PM10)와 지름이 2.5μm보다 작은 미세먼지(PM2.5)로 나눌 수 있다.
PM10이 사람의 머리카락 지름(50~70μm)보다 약 1/5~1/7 정도로 작은 크기라면, PM2.5는 머리카락의 약 1/20~1/30에 불과할 정도로 매우 작다.
이처럼 미세먼지는 눈에 보이지 않을 만큼 매우 작기 때문에 대기 중에 머물러 있다 호흡기를 거쳐 폐 등에 침투하거나 혈관을 따라 체내로 이동하여 들어감으로써 건강에 나쁜 영향을 미칠 수도 있다.
세계보건기구(WHO)는 미세먼지(PM10, PM2.5)에 대한 대기질 가이드라인을 1987년부터 제시해 왔고, 2013년에는 세계보건기구 산하의 국제암연구소(IARC, International Agency for Research on Cancer)에서 미세먼지를 사람에게 발암이 확인된 1군 발암물질(Group 1)로 지정하였다.
미세먼지를 이루는 성분은 그 미세먼지가 발생한 지역이나 계절, 기상조건 등에 따라 달라질 수 있으며, 일반적으로는 대기오염물질이 공기 중에서 반응하여 형성된 덩어리(황산염, 질산염 등)와 석탄 ㅇ 석유 등 화석연료를 태우는 과정에서 발생하는 탄소류와 검댕, 지표면 흙먼지 등에서 생기는 광물 등으로 구성된다.
환기장치는 사람의 호흡 등에 따라 불결해진 실내 공기를 배출하고, 실외 공기를 끌어들여 신선한 공기로 바꾸는 장치로, 실내에 공급되는 공기가 필터를 통과하도록 하여 먼지와 세균을 없애고 악취를 제거하는 기능도 수행할 수 있다.
황사 또는 유해 먼지 등의 증가로 인해 대기오염이 심각해지고 있으며, 이에 따른 호흡기 질환의 증가와 건강에 대한 국민적 관심 고조 등의 사회 분위기로 인해 공기청정기의 필요성과 그 수요는 큰 폭으로 증가하고 있다.
환기장치의 성능 및 수명은 필터의 관리와 연관성이 큰 것으로서, 필터의 수명이 다한 상태로 환기장치가 사용된다면 팬에 부하가 커질 수도 있고, 각종 유해물질들이 실내로 토출될 수도 있다.
따라서, 환기장치의 필터 수명을 알려주는 다양한 방법들이 제안되고 있다.
필터의 수명을 알려주는 종래의 방법으로는, 첫째, 공급된 전원의 주파수를 누적하거나 모터의 작동시간을 단순히 누적함으로써 제품의 작동시간을 파악하여 필터의 수명을 산출하는 방법과, 둘째, 실제적으로 필터의 수명이 다함에 따라 필터에 포집된 먼지로 발생하는 필터의 차압력을 압력센서로 측정함으로써 필터의 수명을 산출하는 방법이 이용되고 있다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 방법은, 환기장치를 사용하는 사용자의 실제적인 작동형태나, 주변 환경을 충분히 고려하지 않기 때문에, 신뢰하기 어려운 결과치가 생성될 수 있다는 문제점이 있다.
예를 들어, 첫 번째 방법은, 실제로 공기청정기에 전원이 공급된다고 해서 시간에 따라 동일 량의 먼지가 포집되는 것이 아니라, 오염의 정도에 따라 포집되는 먼지의 양이 다르다는 점 등을 간과하고 있다.
또한, 두 번째 방법은, 필터의 교체수명이 도래함에 따라 발생하는 차압력의 증가를 측정하기 위해서 고가의 압력센서가 사용되어야 함으로, 제품의 단가가 상승하여 소비자의 부담이 증가된다는 문제점을 가지고 있으며, 필터가 막힘에 따라 공기청정기의 공기정화 성능은 급격히 감소된 상태이고, 완전히 수명이 다하기 전에는 필터의 막힘 현상이 잘 파악될 수 없다는 문제점을 간과하고 있다.
한국등록특허 [10-1982565]에서는 공기청정기 및 공기청정기의 필터수명 예측방법이 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1982565](등록일자: 2019년05월21일)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실내 공기질을 실시간으로 모니터링하여 환기가 필요하다고 판단되면 환기장치를 자동으로 가동시키고, 환기장치의 가동 정보를 모니터링하여 필터의 수명을 예측하는 실시간 공기질 기반 환기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템은, 공기질을 측정하여 공기질데이터를 생성하는 공기질센서(100); 필터를 구비하며, 흡기, 배기 또는 흡기 및 배기를 실시하여 실내 공기를 환기하는 환기장치(200); 공기질센서(100)로부터 공기질데이터를 입력받고, 상기 공기질데이터를 기반으로 상기 환기장치(200)에 의한 환기가 필요지 판단하여 환기가 필요하다고 판단된 경우 상기 환기장치(200)가 가동되도록 환기수행명령을 전달하며, 상기 환기장치(200)로부터 상기 환기장치(200)가 가동된 환기가동정보를 입력받고, 상기 환기가동정보를 기반으로 상기 환기장치(200)의 필터 수명 예측을 수행하는 서버(900); 및 상기 환기장치(200)와 상기 서버(900) 사이에 설치되어, 상기 서버(900)의 환기수행명령에 따라 상기 환기장치(200)를 가동시키고, 상기 환기장치(200)의 환기가동정보를 상기 서버(900)에 전달하는 컨트롤러(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기질데이터는 이산화탄소, 미세먼지 및 화학물질을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 서버(900)는 이산화탄소, 미세먼지 및 화학물질 중 선택되는 적어도 어느 하나의 농도 수치에 따라 상기 환기장치(200)의 환기세기를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 서버(900)는 각 공기질 요소마다 미리 결정된 A 시간 평균과 상기 A 시간 보다 긴 시간인 B 시간 평균을 계산하고, 상기 A 시간 평균과 B 시간 평균을 비교하여 수치 변화 추이를 예상하며, 수치가 증가한다고 판단되면 상기 환기장치(200)의 환기세기를 올리는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서버(900)는 공기질 요소가 미리 결정된 기준 수치에 도달하도록 상기 환기장치(200)의 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 서버(900)는 상기 환기장치(200)의 환기세기, 상기 환기장치(200)의 가동시간 및 외부 미세먼지 수치를 기반으로 상기 환기장치(200)의 필터 수명 예측을 수행하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 서버(900)는 상기 환기장치(200)의 최대 환기세기, 상기 최대 환기세기로 상기 환기장치(200) 가동 시 미리 결정된 CADR(Clean Air Delivery Rate) 수치 이하로 떨어지는데 까지 걸리는 시간 및 외부 미세먼지 평균 농도 수치의 곱으로 최대 필터 수명을 계산하고, 상기 환기장치(200)의 환기세기, 상기 환기장치(200)의 가동시간 및 외부 미세먼지 평균 수치의 곱으로 필터의 수명 감소량을 계산하여, 필터 교체 주기를 관리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템에 의하면, 실내 공기질을 실시간으로 모니터링하여 환기가 필요하다고 판단되면 환기장치를 자동으로 가동시키고, 환기장치의 가동 정보를 모니터링하여 필터의 수명을 예측 함으로써, 실내 공기질을 최적의 상태로 유지할 수 있는 효과가 있으며, 필터의 교체 시기를 놓치지 않도록 하는 효과가 있다.
또한, 이산화탄소, 미세먼지, 화학물질 등의 수치에 따라 환기세기를 결정함으로써, 실내 공기질을 최적의 상태로 유지할 수 있는 효과가 있다.
또, 수치 변화 추이를 예상하거나, PID제어를 수행하여 환기세기를 결정함으로써, 실내 공기질을 최적의 상태로 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 환기장치의 정보를 바탕으로 필터 수명 예측을 수행함으로써, 필터의 교체 시기를 놓치지 않도록 하는 효과가 있다.
아울러, 필터의 최대 수명 및 필터의 수명 감소량을 근거로 필터 교체 주기를 관리함으로써, 필터의 교체 시기를 놓치지 않도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템의 개념도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템은 공기질센서(100), 환기장치(200), 서버(900) 및 컨트롤러(500)를 포함한다.
공기질센서(100)는 공기질을 측정하여 공기질데이터를 생성한다.
상기 공기질센서(100)는 공기 상태를 나타낼 수 있는 공기질을 측정하는 센서로, 온도, 습도, 이산화탄소, 화학물질(VOC), 미세먼지 등 공기 질을 판단하는데 필요로 하는 다양한 공기질 요소(인자)를 측정할 수 있다.
적당한 온도는 쾌적함과 안락함을 느낄 수 있도록 하는 중요한 요소이다. 너무 습하거나 건조한 환경은 감기, 독감 및 독성 곰팡이의 원인이 될 수 있다. 높은 이산화탄소 농도는 집중력과 의사결정능력을 저하시킬 수 있다. 가구, 장난감 등 쉽게 접하는 물건에서 나오는 독성 화학물질은 피부화 호홉기 질환을 일으킬 수 있다. 미세먼지는 폐에 침투하여 알러지와 같은 문제를 일으킬 수 있다.
환기장치(200)는 필터를 구비하며, 흡기, 배기 또는 흡기 및 배기를 실시하여 실내 공기를 환기한다.
상기 환기장치(200)는 실내의 탁한 공기와 실외의 맑은 공기를 바꾸어 쾌적한 실내환경을 유지하기 위한 장치로, 상기 환기장치(200)로 유입된 공기 중 실내로 배출되는 공기가 필터를 통과하도록 하여 먼지 등의 여러 오염물질을 제거하는 것이 바람직하다.
서버(900)는 공기질센서(100)로부터 공기질데이터를 입력받고, 상기 공기질데이터를 기반으로 상기 환기장치(200)에 의한 환기가 필요지 판단하여 환기가 필요하다고 판단된 경우 상기 환기장치(200)가 가동되도록 환기수행명령을 전달하며, 상기 환기장치(200)로부터 상기 환기장치(200)가 가동된 환기가동정보를 입력받고, 상기 환기가동정보를 기반으로 상기 환기장치(200)의 필터 수명 예측을 수행한다.
상기 서버(900)는 건물에 기 설치된 환기장치(200)를 활용하여 공기정화 서비스를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 상기 서버(900)는 상기 공기질센서(100)와 통신하고, 후술하는 컨트롤러(500)와도 통신한다. 이때, 상기 공기질센서(100)로부터 수집된 정보를 근거로 상기 환기장치(200)를 작동시키거나 작동 중지 시킬 수 있으며, 후술하는 컨트롤러(500) 로부터 수집된 정보를 근거로 상기 환기장치(200)에 장착된 필터의 수명을 예측한다.
상기 서버(900)에 수집된 정보 및 상기 서버(900)에서 가공된 정보는 상기 환기장치(200)의 소유자 또는 관리자의 단말기(미도시)에 제공하여 상기 단말기(미도시)를 통해 해당 정보들을 확인할 수 있도록 할 수 있다.
상기 단말기(미도시)는 서버가 제공하는 정보를 디스플레이 하는 별도의 단말기 일 수도 있고, 공기질센서(100), 환기장치(200) 또는 컨트롤러(500) 등에 일체형으로 형성될 수도 있는 등 상기 서버(900)로 조치를 취한 정보를 전송할 수 있다면 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
컨트롤러(500)는 상기 환기장치(200)와 상기 서버(900) 사이에 설치되어, 상기 서버(900)의 환기수행명령에 따라 상기 환기장치(200)를 가동시키고, 상기 환기장치(200)의 환기가동정보를 상기 서버(900)에 전달한다.
상기 컨트롤러(500)는 상기 서버(900)와 상기 환기장치(200) 사이에 구비되어, 상기 서버(900)가 상기 환기장치(200)를 제어할 수 있도록 도와주며, 상기 환기장치(200)가 가동되는 동안 상기 환기장치(200)로부터 획득 가능한 환기가동정보를 수집하여 상기 서버(900)로 전달한다.
즉, 상기 컨트롤러(500)는 상기 환기장치(200)를 조정하는 역할도 수행하고, 상기 환기장치(200)를 센싱하는 역할도 수행한다.
이를위해, 상기 컨트롤러(500)는 건물에 기 설치된 환기장치(200)에 설치할 수 있고, 상기 서버(900)와 유선, 무선 또는 유선 및 무선 통신이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템의 상기 공기질데이터는 이산화탄소, 미세먼지 및 화학물질을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 서버(900)는 이산화탄소, 미세먼지 및 화학물질 중 선택되는 적어도 어느 하나의 농도 수치에 따라 상기 환기장치(200)의 환기세기를 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 환기장치(200)의 가동 여부만 결정하는 것이 아니고, 상기 환기장치(200)의 환기세기까지 결정할 수 있으며, 이를 결정하기 위해 이산화탄소, 미세먼지 및 화학물질 등의 수치를 이용할 수 있다.
환기세기를 결정하는 것은 실시간 수치, 변화추이, PID(Proportional Integral Derivative) 등을 이용할 수 있다.
실시간 수치를 이용하는 방법의 예로는, 공기질 요소(이산화탄소, 미세먼지, 화학물질 등)의 기준점을 여러 개 두고, 실시간 수치가 기준점을 초과했을 때, 환기의 세기가 달라지도록 할 수 있다.
실시간 수치를 이용하는 다른 방법의 예로는, 미세 환기 조절이 가능할 경우, 공기질 요소의 실시간 수치에 비례하게 환기의 세기가 달라지도록 할 수 있다.
변화추이를 이용하는 방법의 예로는, 실시간 수치의 변화량을 기준으로 환기의 세기가 달라지도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템의 서버(900)는 각 공기질 요소마다 미리 결정된 A 시간 평균과 상기 A 시간 보다 긴 시간인 B 시간 평균을 계산하고, 상기 A 시간 평균과 B 시간 평균을 비교하여 수치 변화 추이를 예상하며, 수치가 증가한다고 판단되면 상기 환기장치(200)의 환기세기를 올리는 것을 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 15분 평균과 90분 평균을 비교하여 수치 변화 추이를 예상할 수 있다.
즉, 15분 평균값과 90분 평균값을 비교하여 15분 평균값이 크다면 증가 중인 것으로 수치 변화 추이를 예상할 수 있다.
이때, 수치가 증가 중인 것으로 수치 변화 추이가 예상되면 환기의 세기를 올리도록 하는 것이 바람직하다.
이는, 현재 환기 량으로는 수치가 증가하는 것을 막을 수 없기 때문이다.
이 경우, 실시간 수치가 기준점에 도달하기 전에 미리 환기 단수를 올려, 오염도의 예상 피크를 찍기 전에 최적의 공기질을 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템의 서버(900)는 공기질 요소가 미리 결정된 기준 수치에 도달하도록 상기 환기장치(200)의 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
PID를 이용하는 방법의 예로는, 공기질 요소가 최적으로 유지되도록(기준 수치에 도달하도록) 환기 세기를 PID로 제어할 수 있다.
PID 제어는 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어의 일종으로, 비례 동작(Proportional Action), 적분 동작(Integral Action), 미분 동작(Derivative Action) 등 3 가지 동작을 적절히 사용하게 되는데, 비례 동작은 기준 입력과 출력 결과의 오차에 비례해서 제어하는 방법이며, 이러한 P제어로 유연하게 목표값에 접근시킬 수 있다. 그리고 이때 미세한 오차를 없애기 위해 적분 동작이 쓰인다. 적분 동작은 미세한 오차들을 누적하다가 일정한 값을 넘어서게 되면 제어를 시작하게 된다. 이렇게 비례 동작과 적분 동작의 조합으로 이루어진 제어를 PI제어라 한다. 그러나 PI제어는 응답 속도에 대한 것을 제어할 수 없다. 이때 쓰이는 방법이 오차 시간을 미분한 값에 비례하여 이루어지는 미분 동작이며, 이 D제어를 통해서 시스템의 안정성을 높이고 응답 속도를 빠르게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템의 서버(900)는 상기 환기장치(200)의 환기세기, 상기 환기장치(200)의 가동시간 및 외부 미세먼지의 농도 수치를 기반으로 상기 환기장치(200)의 필터 수명 예측을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
필터의 수명 예측은 다음식,
Figure 112020112722562-pat00001
(여기서,
Figure 112020112722562-pat00002
는 시간당 필터에 포획된 미립자의 질량을 의미하고,
Figure 112020112722562-pat00003
는 환기 변수(Ventilation changes)를 의미하고,
Figure 112020112722562-pat00004
는 침투 계수(Penetration coefficient)를 의미하고,
Figure 112020112722562-pat00005
는 실외 PM 2.5 농도(Outdoor PM 2.5 concentration)를 의미하고,
Figure 112020112722562-pat00006
는 자연 정착률(Natural Settling Rate)을 의미하고,
Figure 112020112722562-pat00007
는 실내 PM 2.5 농도(Indoor PM 2.5 concentration)를 의미하고,
Figure 112020112722562-pat00008
는 방 크기(Room size)를 의미하고,
Figure 112020112722562-pat00009
는 방 높이(Height of room)를 의미하고,
Figure 112020112722562-pat00010
는 기능 시간(Function time)을 의미한다.)
을 이용하여 시간당 필터에 포획된 미립자의 질량을 구하고,
필터의 교체가 필요한 시점에서의 필터에 포획된 미립자 질량에서 시간당 필터에 포획된 미립자의 질량을 나누면 수명을 시간 단위로 구할 수 있다.
필터의 교체가 필요한 시점에서의 필터에 포획된 미립자 질량은 실험을 통해 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템의 서버(900)는 상기 환기장치(200)의 최대 환기세기, 상기 최대 환기세기로 상기 환기장치(200) 가동 시 미리 결정된 CADR(Clean Air Delivery Rate) 수치 이하로 떨어지는데 까지 걸리는 시간 및 외부 미세먼지 평균 수치의 곱으로 최대 필터 수명을 계산하고, 상기 환기장치(200)의 환기세기, 상기 환기장치(200)의 가동시간 및 외부 미세먼지의 농도 수치의 곱으로 필터의 수명 감소량을 계산하여, 필터 교체 주기를 관리하는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, CADR(Clean Air Delivery Rate)을 근거로 최대 필터 수명을 계산하고, 환기세기, 가동시간 및 외부 미세먼지 평균 농도 수치, 필터 교체 주기를 관리할 수 있다.
다시 말해, 최대 필터 수명에서 필터의 수명 감소량을 지속적으로 차감하면서 그 값이 0에 다다르는 시점을 필터 교체 시점으로 보고 필터 교체 주기를 관리할 수 있다.
CADR은 Clean Air Delivery Rate의 약자로 공기정화율, 즉 깨끗한 공기를 공급하는 비율을 나타내는 측도이다. 미국 가전제품 협회(AHAM : Association of Home Appliance Manufacturers)가 인증하는 공기청정기에 의해 여과된 깨끗한 공기의 공급양을 나타내는 지표로 CADR 값이 높을수록 깨끗한 공기를 공급하는 양이 많음을 뜻한다.
현재 미국 뿐만 아니라, 독일, 프랑스, 스페인, 중국을 비롯한 각국에서 공기청정기를 비교 및 선정하기 위한 기준으로 사용하고 있으며 실질적인 세계 표준이라 해도 무방하다고 볼 수 있다. 미국환경 보호청(EPA)에서는 CADR을 간이 공기청정기로 인해 생성된 깨끗한 공기의 양이라고 이를 정의하고 있으며, 측정 시 "CFM(Cubic feet per minute)"을 규격 단위로 사용하고 있다.
미 환경보호국(EPA)은 "CADR은 분당 입방 피트로 나타내는 공기청정기의 청정 공기 공급량 측정값" 이라고 정의 하고 있다. 이어서 EPA 보고서는 "예를 들어, 먼지입자에 대해 CADR250인 공기청정기는 250cfm의 깨끗한 공기를 추가하였을 때 낮아지는 농도로 먼지 입자의 레벨을 낮추어 준다" 라고 말한다.
이것은 CADR은 먼지 제거 능력을 나타내는 수치가 아니고 공급되는 깨끗한 공기에 의해 먼지 농도가 낮아지는, 즉 희석되는 능력을 나타내는 수치임을 명확히 하고 있다.
CADR은 깨끗한 공기를 공급하는 양을 측정하는 값일 뿐 실제로 먼지를 제거하는 수치라고는 말할 수 없다. 정확히는 일정시간동안 한정된 밀폐되어 있고 아무 방해요소가 없는 완벽히 비어있는 공간에서 필터되어 뿜어지는 깨끗한 공기의 양으로 인해 먼지의 농도가 희석되는 수치를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 공기질 기반 환기 시스템은 상기 환기장치(200)의 소유자 또는 관리자가 청소, 수리, 교체 등의 조치를 취하고 난 이후, 단말기(미도시)에 이러한 조치를 취했음을 입력하면, 조치를 취한 정보를 상기 서버(900가 수집하여 관리할 수 있다.
상기 단말기(미도시)는 서버가 제공하는 정보를 디스플레이 하는 별도의 단말기 일 수도 있고, 공기질센서(100), 환기장치(200) 또는 컨트롤러(500) 등에 일체형으로 형성될 수도 있는 등 상기 서버(900)로 조치를 취한 정보를 전송할 수 있다면 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
상기 서버(900)는 상기 단말기(미도시)에 청소, 수리, 교체 등의 관리가 필요함을 알리는 관리 요청 푸시메세지를 전송한 후, 조치를 취한 정보를 전송받아 해당 문제가 해결되었음을 확인하면, 다음번 청소, 수리, 교체 등의 관리가 필요함을 알리는 관리 요청 푸시메세지를 전송할 때 까지 수집된 정보 들을 분석하여, 청소, 수리, 교체 등의 관리가 필요한 예상 시점을 예측할 수 있다.
상기 청소, 수리, 교체 등의 관리가 필요한 예상 시점은 인공지능 분석 기법을 이용하여 예측할 수 있다.
상기 수집된 정보로는 상기 환기장치(200)의 환기세기(출력), 블로워(팬)에 인가된 전력, 상기 환기장치(200)의 가동시간 등이 될 수 있다.
상기에 예시된 상기 환기장치(200)의 환기세기(출력), 블로워(팬)에 인가된 전력, 상기 환기장치(200)의 가동시간 등은 별도의 센서를 구비하지 않고도 확인 가능한 정보들이다.
상기 서버(900)는 관리가 필요할 것으로 판단된 환기장치(200)의 소유자 또는 관리자의 단말기(미도시)에 최초에는 필터 교체 요청 푸시메세지를 전송하고, 필터 교체가 필요한 예상 시점을 예측하며, 예상 시점 보다 기 설정된 기준을 벗어나는 이른 시기에 필터 교체 요청 푸시메세지를 전송한 환기장치(200) 소유자 또는 관리자의 단말기(미도시)에 수리 또는 점검 요청 푸시메세지를 전송하도록 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 공기질센서
200: 환기장치
500: 컨트롤러
900: 서버

Claims (6)

  1. 공기질을 측정하여 공기질데이터를 생성하는 공기질센서(100);
    필터를 구비하며, 흡기, 배기 또는 흡기 및 배기를 실시하여 실내 공기를 환기하는 환기장치(200);
    공기질센서(100)로부터 공기질데이터를 입력받고, 상기 공기질데이터를 기반으로 상기 환기장치(200)에 의한 환기가 필요지 판단하여 환기가 필요하다고 판단된 경우 상기 환기장치(200)가 가동되도록 환기수행명령을 전달하며, 상기 환기장치(200)로부터 상기 환기장치(200)가 가동된 환기가동정보를 입력받고, 상기 환기가동정보를 기반으로 상기 환기장치(200)의 필터 수명 예측을 수행하는 서버(900); 및
    상기 환기장치(200)와 상기 서버(900) 사이에 설치되어, 상기 서버(900)의 환기수행명령에 따라 상기 환기장치(200)를 가동시키고, 상기 환기장치(200)의 환기가동정보를 상기 서버(900)에 전달하는 컨트롤러(500);
    를 포함하며,
    상기 서버(900)는
    각 공기질 요소마다 미리 결정된 A 시간 평균과 상기 A 시간 보다 긴 시간인 B 시간 평균을 계산하고, 상기 A 시간 평균과 B 시간 평균을 비교하여 수치 변화 추이를 예상하며, 수치가 증가한다고 판단되면 상기 환기장치(200)의 환기세기를 올리는 것을 특징으로 하고,
    상기 서버(900)는
    공기질 요소가 미리 결정된 기준 수치에 도달하도록 상기 환기장치(200)의 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 수행하는 것을 특징으로 하며,
    상기 서버(900)는
    상기 환기장치(200)의 환기세기, 상기 환기장치(200)의 가동시간 및 외부 미세먼지의 농도 수치를 기반으로 상기 환기장치(200)의 필터 수명 예측을 수행하는 것을 특징으로 하고,
    상기 서버(900)는
    상기 환기장치(200)의 최대 환기세기, 상기 최대 환기세기로 상기 환기장치(200) 가동 시 미리 결정된 CADR(Clean Air Delivery Rate) 수치 이하로 떨어지는데 까지 걸리는 시간 및 외부 미세먼지 농도 평균 수치의 곱으로 최대 필터 수명을 계산하고,
    상기 환기장치(200)의 환기세기, 상기 환기장치(200)의 가동시간 및 외부 미세먼지 농도 수치의 곱으로 필터의 수명 감소량을 계산하여,
    필터 교체 주기를 관리하는 것을 특징으로 하며,
    필터의 수명 예측은 다음식,
    Figure 112021024637661-pat00012

    (여기서,
    Figure 112021024637661-pat00013
    는 시간당 필터에 포획된 미립자의 질량을 의미하고,
    Figure 112021024637661-pat00014
    는 환기 변수(Ventilation changes)를 의미하고,
    Figure 112021024637661-pat00015
    는 침투 계수(Penetration coefficient)를 의미하고,
    Figure 112021024637661-pat00016
    는 실외 PM 2.5 농도(Outdoor PM 2.5 concentration)를 의미하고,
    Figure 112021024637661-pat00017
    는 자연 정착률(Natural Settling Rate)을 의미하고,
    Figure 112021024637661-pat00018
    는 실내 PM 2.5 농도(Indoor PM 2.5 concentration)를 의미하고,
    Figure 112021024637661-pat00019
    는 방 크기(Room size)를 의미하고,
    Figure 112021024637661-pat00020
    는 방 높이(Height of room)를 의미하고,
    Figure 112021024637661-pat00021
    는 기능 시간(Function time)을 의미한다.)
    을 이용하여 시간당 필터에 포획된 미립자의 질량을 구하고,
    필터의 교체가 필요한 시점에서의 필터에 포획된 미립자 질량에서 시간당 필터에 포획된 미립자의 질량을 나누어 수명을 시간 단위로 구하며,
    필터의 교체가 필요한 시점에서의 필터에 포획된 미립자 질량은 실험을 통해 결정하고,
    상기 환기장치(200)의 소유자 또는 관리자가 청소, 수리 및 교체 중 어느 하나의 조치를 취하고 난 이후, 단말기(미도시)에 이러한 조치를 취했음을 입력하면, 조치를 취한 정보를 상기 서버(900)가 수집하여 관리하는 것을 특징으로 하며,
    상기 서버(900)는 상기 단말기(미도시)에 청소, 수리 및 교체 중 어느 하나의 관리가 필요함을 알리는 관리 요청 푸시메세지를 전송한 후, 조치를 취한 정보를 전송받아 해당 문제가 해결되었음을 확인하면, 다음번 청소, 수리 및 교체 중 어느 하나의 관리가 필요함을 알리는 관리 요청 푸시메세지를 전송할 때 까지 수집된 정보 들을 분석하여, 청소, 수리 및 교체 중 어느 하나의 관리가 필요한 예상 시점을 예측하는 것을 특징으로 하는 실시간 공기질 기반 환기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기질데이터는
    이산화탄소, 미세먼지 및 화학물질을 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 서버(900)는
    이산화탄소, 미세먼지 및 화학물질 중 선택되는 적어도 어느 하나의 농도 수치에 따라 상기 환기장치(200)의 환기세기를 결정하는 것을 특징으로 하는 실시간 공기질 기반 환기 시스템.
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